Im Blickpunkt

Jenaer Forscher sind einzelnen Viren auf der Spur

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des InnoProfile-Projekts Jenaer BioChip Initiative (JBCI) haben gemeinsam mit Forschern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT), des Institute for Analytical Sciences (ISAS) in Dortmund sowie des Robert-Koch-Instituts in Berlin erstmalig ein Virus mittels spitzenverstärkter Raman-Spektroskopie nachgewiesen. Die Methode soll zukünftig zur Identifikation von Einzelviren genutzt werden.

Nahezu jeder Organismus kann von Viren befallen werden. Hoch ansteckende Krankheiten wie Vogelgrippe oder SARS werden durch Viren verursacht und auch Krebserkrankungen werden zunehmend mit Viren in Verbindung gebracht (z. B. Gebärmutterhalskrebs). Doch auch Pflanzen werden von Viren befallen, z. B. vom Tabak-Mosaik-Virus. Dieser infiziert vor allem Tabak-Pflanzen, verursacht aber auch bei anderen Nutz- und Zierpflanzen große ökonomische Schäden. Weil er für den Menschen ungefährlich ist und damit keine besonderen Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen, ist er ein Standarduntersuchungsobjekt für Biologen und Biochemiker.

Fingerabdruck des Bakteriums

Klassische Virennachweise basierend auf mikrobiologischen Methoden sind meist komplex, zeitaufwendig und nicht geeignet für den direkten Nachweis eines einzelnen Viruspartikels. Eine leistungsstarke Methode zur Detektion von Einzelviren stellt die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) dar. Mit ihr ist die Zuordnung einzelner Viruspartikel aufgrund ihrer morphologischen Feinstruktur zu einer bestimmten Virusfamilie nicht jedoch zu einer bestimmten Art möglich. Dagegen erlaubt die Untersuchung von Einzelbakterien mithilfe der Raman-Spektroskopie - hier wird ein hochspezifischer spektroskopischer Fingerabdruck des Virus erstellt - sowohl die Zuordnung von Viruspartikeln zur Virusfamilie als auch zu einer Art. Dieses Verfahren hat die JBCI-Arbeitsgruppe unter Federführung von Professor Jürgen Popp vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena in Zusammenarbeit mit den Kollegen vom IPHT bereits erfolgreich etabliert.

Erfolgreiche Kombination mikroskopischer Untersuchungsmethoden

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Tabak-Mosaik-Viren. Die Viren zeigen eine stäbchenförmige Struktur mit einem Durchmesser von etwa 20nm und einer Länge von etwa 300nm.

Nun haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Verfahren erfolgreich mit der Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy - AFM) kombiniert. Damit konnten sie auch das im Vergleich zu anderen Viren etwa hundertmal kleinere Tabak-Mosaik-Virus untersuchen. "Bisher konnte man nur große Konzentrationen von Viren oder aufgereinigten Bestandteilen untersuchen, denn nur so war eine genügend große spektroskopische Signalstärke sicherzustellen", betont Dana Cialla, Doktorandin beim InnoProfil Jenaer BioChip Initiative, einer engen Kooperation zwischen der Universität Jena und dem IPHT. "Es ist uns gelungen einzelne Viren zu lokalisieren und Nukleinsäure (RNA)- oder Eiweiß-Schwingungen der Virushülle aufzunehmen", ergänzt Nachwuchsforschungsgruppenleiter Dr. Robert Möller.

Weiterentwickung der Raman-Spektroskopie

Dazu wird der Virus mit der silberbeschichteten AFM-Spitze (tip) abgerastert und ein Höhenprofil aufgenommen. Durch die anschließende Positionierung der metallischen Spitze an der Oberfläche des Virus wird ein Laserstrahl auf diese fokussiert. Durch die Wechselwirkung von Analyt-Molekülen mit der Metalloberfläche werden die Schwingungssignale verstärkt und das veränderte Laserlicht detektiert und ausgewertet. Diese Methode stellt eine Abwandlung der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (surface enhanced Raman spectroscopy - SERS) dar. Die jeweiligen Anteile der Schwingungen können bestimmten Virusbausteinen zugeordnet werden, so z. B. den Eiweißbausteinen der Virushülle. Diese sind schraubenförmig um die Nukleinsäure angeordnet, die entscheidend für die Vermehrung des Virus ist.

Präzise Identifizierung von Krankheitserregern

Viren schnell und eindeutig zu identifizieren ist sowohl in den Lebenswissenschaften als auch in der Medizin oder der Lebensmittelkontrolle eine Grundvoraussetzung für anschließende Therapien oder Desinfektionen. Die Weiterentwicklung und Optimierung der leistungsstarken TERS-Methode zur Einzelvirendiagnostik wird zukünftig ein Schwerpunkt der Arbeitsgruppe von Dr. Robert Möller sein.

Nähere Informationen zum InnoProfil Jenaer BioChip Initative finden Sie hier.

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