Viren in Lufttröpfchen trocknen schnell aus. Dennoch bleiben viele nach der Rehydrierung infektiös. Dieses Phänomen ist noch unvollständig verstanden. Ein internationales Forscherteam hat nun am European XFEL die Verformung von Proteinhüllen bei Dehydrierung direkt beobachtet. Dies liefert neue Hinweise zur Widerstandsfähigkeit von Viren. Zudem eröffnet es neue Wege für die virologische Forschung. Die Ergebnisse legen den Grundstein für medizinische Anwendungen und antivirale Strategien.
Modellsystem im Röntgenlaser-Experiment
Am European XFEL untersuchten Abhishek Mall und sein Team die Strukturdynamik der Proteinhüllen (Kapside). Sie nutzten dafür die Experimentierstation SPB/SFX. Das Team analysierte das Verhalten von Kapsiden des Bakteriophagen MS2 unter Dehydrationsbedingungen. MS2 besitzt eine ikosaedrische Form mit 20 dreieckigen Flächen. Das RNA-Virus infiziert Escherichia coli und dient oft als virologisches Modellsystem.
Die Struktur des Kapsids schützt das virale Genom. Sie steuert auch die Interaktion mit Wirtszellen. Dehydrierung gefährdet jedoch diese strukturelle Integrität. Theoretische Studien sagten bereits plötzliche Formveränderungen durch energiearme „Einknick“-Übergänge voraus. Ein direkter experimenteller Beleg fehlte bislang. Die neue internationale Studie schließt nun diese Lücke.
Nachstellung des natürlichen Austrocknungsprozesses
Das Team versprühte eine virushaltige Flüssigkeit sehr fein in einer Probenkammer. Die Luftfeuchtigkeit war dort extrem niedrig. So entstand ein Aerosol. Während der Bewegung für etwas mehr als eine Sekunde verdunstete die Flüssigkeit. Dies ahmte die natürliche Austrocknung nach. Der XFEL-Strahl erfasste die Partikel und machte eine Momentaufnahme des Kapsids.
„Wir haben Einzelpartikel-Bildgebung verwendet, um die morphologischen Veränderungen in viralen Kapsiden während der Aerosolisierung zu untersuchen”, sagt Abhishek Mall. Er und seine Kolleg:innen sammelten Beugungsmuster von Hunderttausenden einzelner MS2-Partikel.
Rekonstruktion des Strukturverlaufs
Laut Kartik Ayyer wollte das Team anfangs nur den endgültigen, getrockneten Zustand erfassen. Das Experiment lieferte jedoch Partikel in unterschiedlichsten Trocknungsstadien. „Das war eigentlich eine gute Sache“, sagt Ayyer. „So konnten wir den Verlauf der strukturellen Veränderung rekonstruieren, indem wir die Momentaufnahmen von vollständig hydratisiert bis vollständig getrocknet und allem dazwischen geordnet haben.“
Überraschende Asymmetrie beim Einknicken
Die MS2-Kapside knicken beim Übergang vom hydratisierten zum dehydrierten Zustand ein. Das gleicht einer dünnen Plastikflasche, die sich bei Unterdruck lokal einbeult. Mittels Kryo-Elektronenmikroskopie zeigte sich anfangs eine nahezu perfekte ikosaedrische Symmetrie.
„Mit fortschreitender Dehydratisierung nahmen die Kapside jedoch kompaktere Formen an, die deutlich von der ikosaedrischen Symmetrie abwichen“, beschreibt Mall. Die Veränderungen waren ungleichmäßig verteilt. Einige Bereiche knickten früher ein als andere. „Diese Erkenntnis ist besonders bedeutsam, da sie einen direkten experimentellen Beweis für einen Mechanismus liefert, der bisher nur theoretisch vorhergesagt worden war“, sagt Richard Bean.
Die Beobachtung widerlegt eine gängige Annahme über Viren. „Viele Menschen hatten den Eindruck, dass diese Kapsel wie ein starrer Behälter ist. Und das ist absolut nicht das, was wir gesehen haben“, erklärt Ayyer. Das Kapsid passt sich mechanisch an veränderte Bedingungen an.
Molekularer Auslöser der Verformung
Die Studie untersuchte auch die molekularen Mechanismen dahinter. „Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass ein flexibles Segment des Proteins, die sogenannte FG-Schleife, eine entscheidende Rolle bei den beobachteten Strukturveränderungen spielt“, erklärt Mall. „Diese Bewegungen führten zu einer Kontraktion der FG-Schleifen um die drei- und fünffachen Poren des Kapsids, was zu einer kompakteren Struktur führte.“ Der Verlust stabilisierender Wassermoleküle verursacht vermutlich diese Kontraktion. Diese lokale Destabilisierung wirkt wohl als Schutzmechanismus. Sie verringert eventuell die Exposition des Genoms beim Trocknen.
Innovation durch maschinelles Lernen
Die methodische Innovation war entscheidend. Das Team integrierte Einzelpartikel-Bildgebung mit Verfahren des maschinellen Lernens wie β-variational autoencoders (β-VAEs). Damit analysierten sie die strukturelle Heterogenität großer Datensätze.
„Die Verwendung von β-VAEs ermöglichte die Klassifizierung von Partikeln in einem kontinuierlichen latenten Raum, wodurch Variationen in Größe und Form mit bemerkenswerter Präzision erfasst werden konnten“, erklärt Mall.
Der Ansatz identifizierte Endpunkte und kartierte die Übergangsformen. „Eine derart detaillierte Analyse wäre mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich gewesen“, fügt Ayyer hinzu. Er fährt fort: „Die Fähigkeit, das Spektrum an Strukturen von Viruskapsiden in Echtzeit zu erfassen und zu analysieren, ist ein bedeutender Fortschritt in der Strukturbiologie durch Einzelpartikelbildgebung. Die in dieser Studie verwendeten Methoden können auf andere biomolekulare Systeme ausgeweitet werden und bieten ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung dynamischer Prozesse, die sonst nur schwer zu untersuchen sind.“
Relevanz für das Überleben in der Luft
Die strukturelle Anpassungsfähigkeit zeigt, wie Viren Umweltbelastungen überstehen. Dies ist wichtig für über Aerosole übertragbare Viren. „Durch die Aufklärung der Mechanismen, die die Widerstandsfähigkeit von Viren ermöglichen, legt die Arbeit von Abhishek Mall und seinen Kollegen den Grundstein für potenzielle Anwendungen in der Virologie und im Gesundheitswesen, beispielsweise für die Entwicklung antiviraler Strategien“, sagt Sakura Pascarelli.
Die Ergebnisse erklären das Überleben von Viren genauer. „Die Ergebnisse verbessern nicht nur unser Verständnis der Virusmechanik, sondern eröffnen auch neue Wege für Forschung und Innovation in der Virologie und Strukturbiologie“, betont Pascarelli.
Ausblick auf zukünftige Realbedingungen
Weitere Studien sollen das Verhalten unter realistischeren Bedingungen untersuchen. „In diesem Experiment haben wir eine sehr saubere Flüssigkeit verwendet, die vollständig verdunstet“, gibt Ayyer zu bedenken. „Echter Speichel enthält beispielsweise Salze, die nicht verdunsten, sowie Proteine. Der nächste Schritt besteht darin, Ersatzstoffe für Speichel zu verwenden, damit wir bestimmen können, welche Rolle die sich verändernde Form der Virushülle im realen Leben spielt.“