Wenn Viren in winzigen Tröpfchen durch die Luft transportiert werden, können sie schnell austrocknen. Dennoch bleiben viele Viren nach ihrer Rehydrierung infektiös – ein Phänomen, das noch nicht vollständig verstanden ist. Nun hat ein internationales Forscherteam am European XFEL direkt beobachtet, wie sich die Proteinhüllen von Viren während der Dehydrierung verformen können. Dies liefert neue Hinweise zur Widerstandsfähigkeit von Viren und eröffnet neue Möglichkeiten für die virologische Forschung. Die Ergebnisse legen den Grundstein für potenzielle Anwendungen in der Virologie und der Medizin und können beispielsweise zur Entwicklung antiviraler Strategien beitragen.

An der Experimentierstation SPB/SFX des European XFEL untersuchten Abhishek Mall vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und seine Kolleg:innen die Strukturdynamik der Proteinhüllen, sogenannte Kapside, die das genetische Material von Viren umschließen. Insbesondere untersuchten sie das Verhalten von Kapsiden des Bakteriophagen MS2 unter Dehydrationsbedingungen. MS2 ist ein einzelsträngiges RNA-Virus mit einer ikosaedrischen Form, das heißt 20 dreieckige Flächen bilden seine kugelförmige Oberfläche, das das Bakterium Escherichia coli infiziert und in der Virologie häufig als Modellsystem verwendet wird.

Die Struktur des Kapsids ist entscheidend für den Schutz des viralen Genoms und die Interaktion des Virus mit den Wirtszellen. Viren sind jedoch häufig mit Umgebungen konfrontiert, die ihre strukturelle Integrität gefährden, beispielsweise durch Dehydrierung. Theoretische Studien legen seit langem nahe, dass Kapside energiearme „Einknick“-Übergänge – plötzliche Formveränderungen – durchlaufen können, um sich an solche Belastungen anzupassen, doch direkte experimentelle Belege dafür fehlten bislang.

Die Arbeit von Abhishek Mall und seinen Kolleg:innen von Forschungseinrichtungen in Deutschland, Schweden, dem Vereinigten Königreich, Australien, Singapur und den Vereinigten Staaten schließt diese Lücke. Sie sprühten eine Flüssigkeit, die die Viren enthielt, sehr fein zerstäubt in eine Probenkammer mit extrem niedriger Luftfeuchtigkeit und erzeugten so ein Aerosol. Die Tröpfchen bewegten sich etwas mehr als eine Sekunde lang; währenddessen verdunstete ein Teil der umgebenden Flüssigkeit, wodurch ein natürlicher Austrocknungsprozess nachgeahmt wurde.

An einem bestimmten Punkt trafen die Partikel auf den XFEL-Strahl, der im Wesentlichen eine Momentaufnahme des Kapsids machte. „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.

Wie Mitautor Kartik Ayyer, Gruppenleiter am MPSD, erklärt, wollte das Team ursprünglich nur den endgültigen, getrockneten Zustand erfassen. Das Experiment erwies sich jedoch als noch viel aussagekräftiger, als es sich herausstellte, dass dabei viele Partikel in verschiedenen Stadien des Trocknungsprozesses entstanden waren. „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.“

Eine überraschende Asymmetrie

Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Studie ist die Beobachtung, dass die MS2-Kapside beim Übergang vom hydratisierten zum dehydrierten Zustand einknicken. Das Einknicken lässt sich mit einer dünnen Plastikflasche vergleichen, die bei Unterdruck an bestimmten Stellen einbeult, anstatt gleichmäßig zu schrumpfen. Die Forscher:innen beobachteten mittels Kryo-Elektronenmikroskopie, dass die Kapside im hydratisierten Zustand eine nahezu perfekte ikosaedrische Symmetrie aufwiesen. „Mit fortschreitender Dehydratisierung nahmen die Kapside jedoch kompaktere Formen an, die deutlich von der ikosaedrischen Symmetrie abwichen“, beschreibt Mall.

Bemerkenswert ist, dass die Veränderungen nicht gleichmäßig über das gesamte Kapsid verteilt waren. Stattdessen schien es sich um lokale Veränderungen zu handeln, wobei einige Bereiche früher als andere einknickten. „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, leitender Wissenschaftler der SPB/SFX-Experimentierstation.

Die Beobachtung stellt auch eine gängige Annahme über Viren in Frage. „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. Stattdessen scheint das Kapsid sich mechanisch an veränderte Bedingungen anpassen zu können.

Molekularer „Auslöser“ für die Verformung

Die Studie untersuchte auch die molekularen Mechanismen, die diesen morphologischen Veränderungen zugrunde liegen. „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.“

Die Forscher:innen gehen davon aus, dass diese Kontraktion durch den Verlust stabilisierender Wassermoleküle verursacht wird, die für die Aufrechterhaltung der ausgedehnten Form der FG-Schleifen entscheidend sind. Diese lokale Destabilisierung wirkt wahrscheinlich als Schutzmechanismus und verringert möglicherweise die Exposition des viralen Genoms während des Trocknens.

Neue Anwendung des maschinellen Lernens

Von entscheidender Bedeutung für die Studie war ihre methodische Innovation. Durch die Integration von Einzelpartikel-Bildgebung mit fortschrittlichen Techniken des maschinellen Lernens, wie z. B. β-variational autoencoders (β-VAEs), konnten die Forscher die strukturelle Heterogenität anhand eines großen Datensatzes von Beugungsmustern analysieren.

„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. Dieser Ansatz identifizierte nicht nur die Endpunkte des strukturellen Übergangs – vom hydratisierten zum dehydratisierten Zustand –, sondern kartierte auch die Übergangsformen, die diese Zustände miteinander verbanden. „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.“

Wie Viren in der Luft überleben

Die in den Kapsiden beobachtete strukturelle Anpassungsfähigkeit liefert grundlegende Erkenntnisse darüber, wie Viren Umweltbelastungen überstehen können. Dieses Wissen ist besonders relevant mit Blick auf Viren, die durch Aerosole übertragen werden und von denen viele Krankheiten in Menschen verursachen können. „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, wissenschaftliche Direktorin bei European XFEL. Die Ergebnisse geben Aufschluss über einen entscheidenden Aspekt des Überlebens von Viren. „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.

Weitere Studien sind geplant, um das beobachtete Verhalten unter realistischeren Bedingungen zu 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.“

Quelle: European XFEL GmbH