Viren mit DNA-Fallen einfangen und unschädlich machen

Virus-Fallen: Neuartige Technik zur Virusbekämpfung

Gegen die meisten Virus-Infektionen gibt es kein wirksames Medikament. Ein deutsches Forschungsteam geht deshalb andere Wege, mit denen die Erreger unschädlich gemacht werden sollen. Spezielle Hohlkörper aus DNA-Material sollen die Viren wie in einem Käfig einfangen.

Forschende der Technischen Universität München (TUM), des Helmholtz Zentrums München und der Brandeis University (USA) stellen eine völlig neuartige Strategie zur Virusbekämpfung vor. Mithilfe von maßgeschneiderten Nano-Kapseln aus Erbgut-Material sollen Viren eingefangen und unschädlich gemacht werden. Die Methode wurde bereits erfolgreich an Hepatitis- und Adeno-assoziierten Viren getestet. Auch gegen Coronaviren könnte die Methode laut der Arbeitsgruppe eingesetzt werden. Nachzulesen sind die Forschungsergebnisse in dem renommierten Fachjournal „Nature Materials“.

Keine Allzweckwaffe gegen Viren

Gefährliche Bakterien können in der Regel gut mit Antibiotika behandelt werden – abgesehen von den zunehmenden Resistenzen. Bei Viren gibt es so eine Allzweckwaffe nicht. Mit Impfungen kann man sich vor manchen Virusinfektionen schützen. Die Erforschung, Produktion und Testung solcher Impfungen bleibt aber teuer und aufwändig.

Origami aus DNA

Das Forschungsteam untersuchte deshalb ein völlig neues Prinzip, um gegen Viren vorzugehen. Die Forschenden haben Nanostrukturen aus DNA entwickelt, die Viren einfangen und unschädlich machen können. Dazu nutzte die Arbeitsgruppe eine Technik, die als DNA-Origami bezeichnet wird.

Forschung aus dem Jahr 1962 als Grundlage

Die Grundlagen für die Umsetzung reichen zurück in das Jahr 1962. Der Biologe Donald Caspar und der Biophysiker Aaron Klug fanden heraus, nach welchen geometrischen Gesetzmäßigkeiten die Proteinhüllen von Viren aufgebaut sind. Ausgehend von diesen Vorgaben entwarfen die Forschenden in Rahmen der aktuellen Studie einen künstliche Hohlkörper in Virengröße.

Entwicklung der ersten Virus-Falle

Im Sommer 2019 kam das Forschungsteam auf die Idee, diese Hohlkörper mit Bindestellen für Viren auszukleiden. Dem Prinzip zufolge sollten sich die Viren an den Hohlkörper binden und so aus dem Verkehr gezogen werden. Dafür müssten die Hohlkörper aber über ausreichend große Öffnungen verfügen, damit das Virus ins Innere des Hohlkörpers gelangen kann.

„Keines der Objekte, die wir bis dato mit der Technologie des DNA-Origami gebaut hatten, wäre in der Lage gewesen, ein ganzes Virus sicher einschließen zu können – sie waren schlicht zu klein“, erörtert Hendrik Dietz aus dem Studienteam rückblickend. Stabile Hohlkörper von dieser Größe zu bauen stellte die Arbeitsgruppe vor eine große Herausforderung.

Selbstaufbauendes Nano-Konstrukt

Schließlich entschied sich das Team, einen Hohlkörper aus Dreiecksflächen nach Prinzip des Ikosaeders aufzubauen. Die einzelnen dreieckigen Seiten bestehen aus Erbgut-Material. Besonderer Clou ist, dass die abgeschrägten Seiten der einzelnen Dreiecksflächen mit speziellen Bindestellen verstehen wurden, sodass sich das Konstrukt von alleine in die gewünschte Form zusammensetzt. Der Hohlraum in der Mitte sei groß genug, um Viren darin aufzunehmen.

„Auf diese Weise können wir nun Form und Größe der gewünschten Objekte durch die exakte Form der Dreiecksplatten programmieren“, betont Dietz. Inzwischen könne das Team Nano-Objekte mit bis zu 180 Untereinheiten erzeugen.

Nano-Baukasten

Durch Variation der Bindungsstellen an den Kanten der Dreiecke können nicht nur geschlossene Hohlkugeln entstehen, sondern auch geöffnete Kugeln oder Halbschalen. Diese Formen seien als Virus-Falle geeignet.

Die Innenseite dieser Formen wird dazu mit speziellen Virus-bindenden Molekülen ausgekleidet, die auf bestimmte Viren ausgerichtet sind. Die Viren erkennen diese Bindestellen, docken an der Virusfalle an und sind fortan gefangen.

Erste Tests der Virus-Falle

In Kooperation mit Forschenden um Professorin Ulrike Protzer, Leiterin des Instituts für Virologie der TUM und Direktorin des Instituts für Virologie am Helmholtz-Zentrum München, testete das Studienteam die Virusfallen an Adeno-assoziierten Viren sowie an Kernen des Hepatitis-B-Virus.

Virus-Falle blockierte erfolgreich Viren

„Schon eine einfache Halbschale passender Größe zeigt eine messbare Reduzierung der Aktivität der Viren“, so Dietz. Bei fünf Bindestellen auf der Innenseite der Virusfallen wurden in den Tests 80 Prozent der Viren blockiert. Eine Erhöhung der Bindestellen erzeuge sogar eine komplette Blockade.

Die Forschenden erwarten, dass die Nano-Partikel über rund 24 Stunden stabil bleiben. Im nächsten Schritt sollen die Virus-Fallen an lebenden Mäusen getestet werden. „Wir sind sehr zuversichtlich, dass dieses Material auch vom menschlichen Körper gut vertragen wird“, versichert Dietz.

Warum Viren schwerer zu bekämpfen sind als Bakterien

„Bakterien haben einen Stoffwechsel“, fügt Professorin Protzer hinzu. Der biete auf verschiedenen Wegen Angriffsflächen. Viren hätten so etwas nicht. Antivirale Medikamente würden sich daher fast ausschließlich gegen ein bestimmtes Enzym eines einzelnen Virus richten. Die Entwicklung solcher Medikamente sei daher sehr zeitintensiv.

Viren mechanisch eliminieren

„Sollte sich die Idee realisieren lassen, Viren einfach mechanisch zu eliminieren, so wäre das breit anwendbar und damit ein wichtiger Durchbruch insbesondere für neu auftretende Viren“, verdeutlicht Protzer den Nutzen der Technik.

Biologische Massenproduktion von Viren-Fallen

Die Ausgangsmaterialien der Virusfallen ließen sich biotechnologisch in Massenproduktion zu vertretbaren Kosten herstellen. „Neben der vorgeschlagenen Anwendung als Virusfalle bietet unser programmierbares System auch noch weitere Möglichkeiten“, resümiert Dietz. Denkbar wäre beispielsweise, die Körper als Transportmittel für Impf- oder Wirkstoffe einzusetzen. (vb)