Coronavirus
Structural Task Force

Wie sieht das Coronavirus aus?

Das Coronavirus ist unsichtbar; man kann es mit bloßem Auge nicht sehen - und das ist ein großes Problem.
Wenn ein Haus lichterloh in Flammen steht, dann erkennen wir die Gefahr sehr leicht. Wir würden sofort reagieren: Das Haus verlassen, die Feuerwehr rufen und die Nachbarn warnen. Beim Coronavirus ist die Gefahr leider nicht so klar erkennbar; man kann SARS-CoV-2 weder sehen noch anfassen. Zwischen Infektion und der Erkrankung vergehen einige Tage (1) und dann im Mittel noch einmal 16 Tage bis zum Tod - im schlimmsten Fall (2).
Stell dir eine Katastrophe vor, die in New York City 32.362 Menschen tötet. Genau diese Zahl – ein Toter pro 250 Einwohnern – ist in den letzten Monaten in New York an COVID-19 gestorben (3). Die Unsichtbarkeit, Ungreifbarkeit der Bedrohung macht es schwierig, die Gefahr richtig einzuschätzen und entsprechende Schutzmassnahmen zu ergreifen: Masken zu tragen und Abstand zu halten. Es ist schwer, sich einer unsichtbaren Bedrohung bewusst zu werden und noch schwieriger, wenn man die Bedrohung nicht versteht.

Deswegen wollen wir, dass Menschen das Virus sehen, oder noch besser: Es anfassen können - und dafür haben wir ein dem aktuellen Wissenstand entsprechendes 3D-Modell entworfen.
Und das Beste daran: Wir stellen die Druckdateien kostenfrei zur Verfügung, weil unsere Arbeit mit öffentlichen Geldern finanziert wird. (Bei Verwendung der Druckdateien bitten wir um einen Hinweis auf die Coronavirus Structural Task Force als Urheber.)

3D printed corona vrisu model
Das gedruckte und bemalte 3D-Modell. (Photo: Judith Flurer / RVZ.)

Unser Modell sieht anders aus als die Coronaviren aus den Medien. Warum?

Zunächst einmal gilt zurzeit einfach jeder beliebiger Stachelball in den Medien als Coronavirus. Aber „unser“ Virus unterscheidet sich aber auch von der Illustration des CDC, die von den beiden medizinischen Illustratoren Alissa Eckert und Dan Higgins erschaffen wurde. Die Hauptunterschiede zwischen deren rot-grauen Darstellung und unserer sind:

  • Der Virus ist nicht wirklich rund, eher etwas wobbelig. Das zeigt unser 3D-Druck auch.
  • Die Anzahl der E-Proteine (orange), M-Proteine (gelb) und Stacheln (grün) stimmt mit den neuesten Erkenntnissen überein. (4)
  • Die Stacheln sind länger als in der CDC-Abbildung, weil wir jetzt mehr über die Struktur des Virus wissen
  • Die Virushülle ist im Vergleich zu den Stacheln kleiner. Die Größe variiert und die Größe unseres Modells ist ein Durchschnittswert.
  • Die Stacheln sind glykolisiert, und dadurch werden sie unregelmäßiger (und schleimiger). Die Glykosilierung ist in der Animation (unten) grau abgebildet. Das könnte man am Modell mit Watte darstellen, die man an den Stacheln anbringen könnte.
  • Wir zeigen das E-Protein (gelb) als fünfzähligen Pore. Ob das eine korrekte Annahme ist, bleibt abzuwarten. Wenn du darüber mehr erfahren möchtest, siehe hier.
  • Wir haben uns für eine Farbgebung entschieden, die der schleimigen, feuchten Umgebung entspricht, in der das Virus Wirtszellen befällt. (Die rote und graue Farbwahl des CDC zielt darauf ab, die Bedrohung zu verdeutlichen, die das Virus darstellt. (5)
Merge of two virus representations
Vergleich zwischen unserer Darstellung (Thomas Splettstößer / SciStyle.com) und der in den Medien häufig verwendeten Illustration dec CDC.

Wir haben auch ein Rhinovirus und einen Antikörper im selben Maßstab in den Dateien hochgeladen. Der Antikörper bindet spezifisch an den Stachel. Auf diese Weise erkennt das Immunsystem den Virus – und am Rhinovirus kann man gut erkennen, wie groß SARS-CoV-2 im Vergleich zu anderen Viren ist. Eigentlich sollte man es "Viruspartikel" nennen, denn es handelt sich dabei nur um die Transportform des Virus, mit der es verbreitet wird. Wenn es eine Wirtszelle befällt, werden aus dem im Virion enthaltenen Erbgut viele weitere Moleküle produziert, die die Wirtzelle in ihrem Sinn ez ueiner Virusfabrik umbauen - diese Proteine sind auch ein Teil des Virus, und ein wichtiger Bestandteil unserer Forschung.

Erstelle Dein eigenes 3D Modell! Hier kannst du die Dateien und die Anleitung zum 3D Druck und der Gestaltung finden!

Quellen:

(1) Rothan Hussin A., and Byrareddy Siddappa N. "The epidemiology and pathogenesis of coronavirus disease (COVID-19) outbreak." Journal of autoimmunity (2020): 102433. pmid:32113704

(2) https://wwwnc.cdc.gov/eid/article/26/7/20-0282_article

(3) 32.362 deaths by 31th of July 2020 as reported by the New York Times in 8.4 million inhabitants (US Census Bureau) gives 0,39 %, roughly equalling 1 in 250.

(4) https://www.nytimes.com/2020/04/01/health/coronavirus-illustration-cdc.html

Früher wurden Arzneimittel zufällig gefunden, und manchmal ist das auch heute noch so. Aber in diesem Artikel geht es um sogenanntes rationales Arzneimitteldesign. Wir fangen an mit zwei wichtigen Begriffen:

Wirkstoffe und Targets

Die meisten Arzneimittel sind kleinere Moleküle mit bis zu 70 Atomen. Diese Wirkstoffe binden im Körper an das sogenannte Target, ein „Makromolekül“. Makromoleküle können Eiweißstoffe, DNA, RNA und Zuckerketten (Kohlenhydrate) sein. Die allermeisten Targets sind Eiweißstoffe – Proteine.

Proteine sind die Arbeitstiere unseres Körpers – sie zerlegen die Moleküle in unserer Nahrung, ermöglichen die Zellteilung, aus ihnen bestehen Muskeln und Haare. Ein Grund, warum unsere Ernährung Protein enthalten muss, ist, weil unser Körper dieses in seine Bausteine zerlegt und daraus neue Proteine bauen kann. Sie sind absolut essentiell für unser Überleben.

Ein Beispiel: So wirkt Aspirin

Aber nicht nur unser Körper hat Proteine, auch Krankheitserreger wie Bakterien oder Viren (sic). Und nicht alle Proteine sind gut: Bei Stoffwechselstörungen oder chronischen Krankheiten kann es sinnvoll sein, die Aktivität bestimmter Proteine zu vermindern. Ein gutes Beispiel hierfür ist Cyclooxygenase-II oder kurz COX. Dieses Protein wird bei Verletzung von Zellen und bei Entzündung im Körper gebildet und katalysiert einen wichtigen Schritt bei der Herstellung von Schmerzbotenstoffen, so genannten Prostaglandinen. Ohne dieses Cyclooxygenase-II können keine Schmerzbotenstoffe hergestellt werden.

Acetylsalicylsäure - auch bekannt als ASS oder Aspirin – bindet an Cyclooxygenase-II und macht diese kaputt (siehe Bild). Das führt dazu, dass keine Schmerzbotenstoffe mehr gebildet werden, und man weniger Schmerzen empfindet*. In diesem Fall ist also Cyclooxygenase-II das Target und ASS der Wirkstoff.

Hemmung von COX durch Aspirin
Links: Cyclooxygenase-II, ein Eiweißstoff, der Schmerzbotenstoffe herstellt. Rechts: Acetylierung (4 rote Atome) durch Acetylsalicylsäure, auch genannt Aspirin. Diese blockiert den Kanal und das katalytische Zentrum, so dass Cyclooxygenase keine Schmerzbotenstoffe mehr herstellen kann. Die Wirkung hört erst auf, wenn der Körper neue Cyclooxygenase-II hergestellt hat (also einige Stunden). Bild von Andrea Thorn.

Arzneimittelentwicklung

Zur Arzneimittelentwicklung werden zwei Hauptmethoden eingesetzt:

Indirektes oder Liganden-basiertes Wirkstoffdesign testet Moleküle, die bereits bekannten Arzneimitteln in Ladung und Gestalt ähnlich sind. Diese werden darauf getestet, ob sie an das Target binden und es hemmen.

Direktes oder Struktur-basiertes Wirkstoffdesign beruht auf der Kenntnis des Targets und der Wirkstoff wird so ausgewählt, dass er an das Target bindet. Beim Fragment-basierten Wirkstoffdesign werden kleinere Moleküle an verschiedene Stellen im Target gebunden und mit diesem Wissen dann ein Wirkstoff synthetisiert, der die Eigenschaften der Fragmente in  einem Molekül vereint.

Für beide Hauptmethoden kann eine Vorauswahl von möglichen Wirkstoffen mithilfe von Computerberechnungen getroffen werden, aber für Struktur-basiertes Wirkstoffdesign muss die Struktur des Makromoleküls genau bekannt sein.

Die Coronavirus Structural Task Force hilft bei der Suche nach einem Arzneimittel, indem wir die makromolekularen Strukturen von möglichen Targets, nämlich den Proteinen des Coronavirus, überprüfen und zum Teil sogar verbessern. Außerdem bieten wir Wirkstoffdesignern Informationen zu den verschiedenen Makromolekülen an. Auf diese Art und Weise hoffen wir, einen Beitrag zur Bekämpfung des Virus zu leisten.

*Leider werden statt Prostaglandinen dann mehr Leukotriene produziert, die bei Asthmatikern einen Anfall auslösen können – deswegen sollen Asthmatiker Aspirin nur nach Absprache mit dem Arzt nehmen.

(Titelbild: Aspirintabletten von Ragesoss, Wikimedia Commons / license: CC 4.0)

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