JKU entschlüsselt Anpassungsstrategie von Corona-Varianten
Mona Hopfinger
Forschende der Johannes Kepler Universität Linz haben herausgefunden, wie sich verschiedene SARS-CoV-2-Varianten unterschiedlich an menschliche Zellen angepasst haben. Delta und Omikron entwickelten dabei völlig verschiedene Strategien beim Andocken.
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Johannes Kepler Universität Linz hat neue Erkenntnisse zur Anpassungsfähigkeit des Coronavirus gewonnen. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass verschiedene Virusvarianten unterschiedliche Wege entwickelt haben, um an menschliche Zellen anzudocken.
Die Kollaborationsstudie des JKU Instituts für Biophysik mit dem BOKU Institut für Molekulare Biotechnologie belegt, dass SARS-CoV-2-Varianten nicht nur die Form ihres Spike-Proteins verändert haben. Auch die Art und Weise des Andockens an menschlichen Zellen wurde angepasst.
Balance zwischen Offenheit und Kompaktheit
Jedes Virus steht vor einem Dilemma: Es muss eine Balance zwischen Offenheit zum Andocken an Zellen und Kompaktheit zum Entkommen vor dem Immunsystem finden. Frühe COVID-Formen waren sehr biegsam und leicht. Das Spike-Protein wurde später steifer, wodurch die Delta-Variante an mehrere Stellen gleichzeitig andocken konnte.
Die Omikron-Variante wählte einen anderen Weg. Sie veränderte die Art des Andockens grundlegend. Ihr Spike-Protein wurde extrem kompakt, was nur das Andocken an einer Stelle erlaubte – dafür aber sehr viel fester und stabiler.
„Indem wir einzelne Spike-Proteine bei ihren Bewegungen beobachtet und einzelne Bindungsereignisse gemessen haben, konnten wir zeigen: Die Virusvarianten Delta und Omikron entwickelten unterschiedliche Lösungen für dieselbe Aufgabe – eine ausreichend starke Verbindung zum menschlichen ACE2-Rezeptor herzustellen, dem wichtigsten Eintrittstor des Virus in die menschlichen Zellen“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Peter Hinterdorfer.
Unterschiedliche Strategien mit gleichem Ziel
Das Spike-Protein bildet die charakteristischen Ausstülpungen an der Oberfläche des Coronavirus. Seine drei beweglichen Spitzen sind in der Lage, sich zu öffnen, um an den ACE2-Rezeptor anzudocken. Ein Spike in offener, flexibler Form findet Rezeptoren schneller und kann unter Umständen gleich mehrere ACE2-Moleküle gleichzeitig binden. Bei einer kompakteren Form sind Mehrfachkontakte seltener möglich, dafür hält eine einzelne Bindung länger.
Das internationale Forscherteam untersuchte im Vergleich zum ursprünglichen Wuhan-1-Spike neun bedeutende Varianten: Alpha, Beta, Gamma, Delta sowie die Omikron-Unterlinien BA.1, BA.2, BA.5, XBB.1.5 und JN.1. Mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie wurden die Bewegungen der Proteine im Nanometerbereich in Echtzeit und in flüssiger Umgebung erfasst. Über Einzelmolekül-Kraftspektroskopie wurde bestimmt, wie schnell die Spikes an ACE2 auf lebenden Zelloberflächen andockten, wie viele Bindungen dabei entstanden und wie leicht sich diese wieder lösten.
„Delta war besonders gut für eine mehrfache Bindung geeignet und kontaktierte ACE2 häufig an zwei oder drei Stellen. Omikron brauchte viel länger, band sich aber stärker“, so der JKU-Wissenschaftler.
Bedeutung für künftige Impfstoffe
Die Studie zeigt, dass sich der Bindungserfolg einer Variante an den Menschen nicht allein aus der Beweglichkeit des Spike-Proteins vorhersagen lässt. Ebenso von Bedeutung sind die zur Verfügung stehende Kontaktzeit zwischen Spike und Rezeptor, die chemische Passgenauigkeit der beteiligten Kontaktflächen, die Fähigkeit zur Umgehung der Immunabwehr sowie der jeweilige Weg, über den das Virus in die Zelle eindringt.
Die Ergebnisse liefern einen umfassenderen Rahmen zum Verständnis der Virus-Anpassung. Sie könnten helfen, neu auftretende Varianten zu bewerten sowie zukünftige Impfstoffe und antivirale Strategien zu entwickeln.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Advanced Science publiziert.
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