Das 3D-Modell des helikalen Aufbaus eines Tabakmosaikvirus erscheint als federringartig angeordnete Scheibe.

Pflanzenviren – jenseits von Gut und Böse

Forschung auf Nobelpreisträgertagung vorgestellt

Die Virenforschung an der Universität Stuttgart bereitet den Weg ins nächste Zeitalter: Viren könnten in Zukunft die Nanotechnologie beflügeln.

Sie sind winzig klein, bauen Hüllen, die Architekten erblassen lassen, und können doch so verheerend sein. Während sich die Pflanzenvirologin Dr. Katharina Hipp vom Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme der Universität Stuttgart, Abteilung Molekularbiologie und Virologie der Pflanzen, mit dem Afrikanischen Maniokmosaikvirus beschäftigt, einem Schädling der Maniokpflanze, gewinnt ihre Kollegin Dr. Sabine Eiben dem Tabakmosaikvirus auch etwas Gutes ab. Viren könnten in Zukunft die Nanotechnologie beflügeln – als Basis für Sensoren, Gerüst für Gewebeersatz oder in der Krebsdiagnostik.

Katharina Hipp ist fasziniert von Geminiviren – seit dem Tag, als sie als junge Studentin einem Vortrag der Abteilung Molekularbiologie und Virologie der Pflanzen am Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme lauschte. Ihre Augen leuchten, während sie behutsam das Modell des Maniokmosaikvirus, ein Vertreter der Geminiviren, zwischen ihren Fingern dreht und wendet. Das Modell ist das Abschiedsgeschenk einer ehemaligen Diplomandin. Ausgedruckt auf einem 3D-Drucker nach der hochaufgelösten Struktur, die sie zusammen aus vielen verrauschten elektronenmikroskopischen Projektionsbildern eines Viruspartikels berechnet haben.

„Geminiviren sind insofern einzigartig unter den Viren, als ihre Protein-Hülle zwei unvollständige Ikosaeder ausbildet. Daher auch der lateinische Name Gemini für Zwilling“, erzählt die Biologin, die inzwischen als Postdoktorandin in der von Holger Jeske geleiteten Abteilung forscht. „Man sollte denken, dieser Zwillingspartikel bricht leichter auseinander, aber das ist nicht der Fall“, wundert sich Hipp noch heute. Normalerweise kommen Viren als Stäbchen, als fast kugelförmige Polyeder oder eben als einzelne Ikosaeder daher.

Obwohl die etwa 35 mal 20 Nanometer kleinen Geminiviren (ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter) zu den Zwergen unter den Viren zählen und nur mit einer minimalen Ausstattung an Proteinen auskommen, verursachen sie vor allem in den Tropen und Subtropen unter vielen Nutzpflanzen erheblichen Schaden. Das Afrikanische Maniokmosaikvirus verrät sich zunächst durch ein mosaikartiges Muster aus hell- und dunkelgrünen Bereichen auf den Blättern der infizierten Maniokpflanze. Später verkümmert die gesamte Pflanze. „Die Maniokwurzel ist für viele Afrikaner und Südostasiaten als Grundnahrungsmittel so wichtig wie für uns einst die Kartoffel“, betont Hipp. Da gebe es viele Kleinbauern, die Maniok hinter dem Haus anbauen, um ihre Familie zu ernähren. Fällt die Ernte durch einen Virusbefall aus, sei das für die Menschen dramatisch.

Katharina Hipp mit einem Modell des Afrikanischen Maniokmosaikvirus. Auf dem Bildschirm im Hintergrund ist dessen 3D-Rekonstruktion aus elektronenmikroskopischen Bildern zu sehen.
Katharina Hipp mit einem Modell des Afrikanischen Maniokmosaikvirus. Auf dem Bildschirm im Hintergrund ist dessen 3D-Rekonstruktion aus elektronenmikroskopischen Bildern zu sehen.
Foto: Helmine Breitmaier

Verstehen, wie es funktioniert

Weiße Fliegen, die in den warmen Gefilden heimisch sind, übertragen das Maniokvirus beim Saugen von Pflanzensaft von einer Pflanze zur nächsten. „Wenn die Klimaerwärmung fortschreitet, könnten sich diese Geminivirenübertragenden Insekten auch in gemäßigteren Breiten ansiedeln und dort viele Viren verbreiten“, warnt die 39-Jährige. Schon heute gebe es etwa in Spanien und Italien Ernteschäden durch das „tomato yellow leaf curl virus“, ein Geminivirus, das unter anderem Tomaten und Paprika befällt. Dieses und das Afrikanische Maniokmosaikvirus gehören zu den „Top Ten“ der wichtigsten Pflanzenviren.

„Um das Virus an der Ausbreitung zu hindern, müssen wir zunächst verstehen, wie es funktioniert“, sagt Hipp. Die Biologin interessiert sich etwa dafür, wie die 110 identischen Hüllproteine des Maniokmosaikvirus miteinander interagieren, sodass sie stabile Zwillingspartikel für den Transport des viralen Erbguts bilden. Dazu möchte sie am Computer analysieren, an welcher Stelle der elektronenmikroskopisch rekonstruierten 3D-Struktur die einzelnen Aminosäure- Bausteine der Hüllproteine sitzen. „Wenn ich weiß, welche Bereiche des Hüllproteins dafür wichtig sind, könnte ich gezielt Mutationen einbauen, die möglicherweise verhindern, dass Viruspartikel gebildet und dann übertragen werden“, erklärt Hipp.

Ein weiterer wunder Punkt des Virus könnte die Vervielfältigung seiner Erbinformation sein, die es in die Pflanzenzelle einschleust. Denn dabei ist das Virus auf die Wirtszelle angewiesen. In Experimenten mit Hefezellen hat die Virologin herausgefunden, dass ein bestimmter Bereich des replikationsassoziierten Proteins aus dem Maniokmosaikvirus die Zelle dazu antreibt, das fremde Erbgut zu vermehren. Noch sind viele Fragen rund um die Struktur und Ausbreitung der Geminiviren ungelöst. „Es wäre schön, wenn wir mit unserer Grundlagenforschung dazu beitragen können, dass ein Mittel gegen diese Viren entwickelt wird“, sagt Hipp, die künftig die Elektronenmikroskopie- Einrichtung am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen leiten wird.

Vom Schädling zum Nanowerkzeug

Anders als Geminiviren gehören Tabakmosaikviren zu den am besten untersuchten Viren. Dass die Tabakmosaikkrankheit durch Erreger hervorgerufen wird, die bakteriendichte Filter passieren können, war Ende des 19. Jahrhunderts der erste Nachweis eines Virus. Heute sieht Sabine Eiben in den Tabakmosaikviren vor allem überaus nützliche Werkzeuge in der Nanobiotechnologie. Die Postdoktorandin ist Teamleiterin im Projekthaus NanoBioMater der Carl-Zeiss-Stiftung und der Universität Stuttgart und arbeitet in der gleichen Abteilung wie Katharina Hipp, in der Forschungsgruppe von Prof. Christina Wege. Die Gruppe testet Tabakmosaikvirus-basierte Nanostrukturen für verschiedene Anwendungen, denn technisch sind solche Nanostrukturen aus biologischer Materie nur schwer herstellbar.

Das Rezept klingt einfach. Man mische das Erbgut, einen Ribonukleinsäurestrang, und die Hüllproteine der Tabakmosaikviren, und schon formen sich Proteinringe wie von selbst und verpacken das Erbgut zu einer 300 Nanometer langen Röhre. Wird das Viruserbgut manipuliert, lassen sich neuartige Strukturen erschaffen: unterschiedlich lange Tabakmosaikviren, die auch bumerangförmig gebogen oder sternartig verzweigt sein können. „Wir können auch virusartige Partikel im Reagenzglas zusammenbauen, die kein infektiöses Viruserbgut mehr enthalten“, berichtet Eiben. Die effektivsten Produzenten sind aber nach wie vor Tabakpflanzen, die im Gewächs-Bühaus auf dem Dach des Naturwissenschaftlichen Zentrums Ii auf dem Campus Stuttgart-Vaihingen wachsen und die Sabine Eiben über eine Blattverletzung mit den Viren infiziert. Eiben greift noch tiefer in den Nanobaukasten aus der Natur, indem sie die Hüllproteine des Tabakmosaikvirus von Bakterien produzieren lässt oder gentechnisch so modifiziert, dass Enzyme, Peptide oder Nanopartikel daran binden. Dadurch verleiht die Biologin den virusartigen Partikeln neue Funktionen. Kürzlich wurde in der Arbeitsgruppe beispielsweise der Beweis erbracht, dass Enzym-gekoppelte Viruspartikel Biosensoren zum Nachweis von Glukose erheblich verbessern können. „Durch die Viren stabilisieren wir die Enzyme und erreichen eine Oberflächenvergrößerung und damit hohe Sensitivität“, erklärt Eiben.

Sabine Eiben (links) und Christina Wege (Mitte) präsentieren ihre Forschungsarbeit im Rahmen der Nobelpreisträgertagung.
Sabine Eiben (li.) und Christina Wege (Mitte) präsentieren ihre Forschungsarbeit im Rahmen der Nobelpreisträgertagung.
Foto: Staatsministerium Baden-Württemberg / Uli Regenscheit

Unterschiedliche Funktionen

Theoretisch kann an jedes der über 2000 Hüllproteine des Tabakmosaikvirus eine funktionelle Gruppe, etwa ein Enzym, gebunden werden. „Wir können in einem Viruspartikel verschiedene Hüllproteinvarianten auch so kombinieren, dass örtlich voneinander getrennte funktionelle Bereiche entstehen“, freut sich Eiben. Ob sich dies zu einer Konkurrenz zu etablierten Blutzucker-Messstäbchen entwickelt, werde sich noch zeigen, so Eiben, aber auch für zahlreiche andere Bereiche werden neue empfindliche Biosensoren gesucht.

Denkbar wären etwa virusbasierte Sensoren, um Medikamentenrückstände oder Giftstoffe in Lebensmitteln oder Umweltproben nachzuweisen. Für Feldeffekttransistoren, wie sie als Schaltelemente in jedem Computer zu finden sind, hat Eiben ebenfalls Viruspartikel hergestellt, an denen sich bereits bei Raumtemperatur elektrisch leitende Metalloxide abscheiden. Bisher waren dafür Temperaturen von über 400 Grad Celsius nötig, sodass nur temperaturbeständige Materialien als Transistorträger verwendet werden konnten. Dank der gasempfindlichen Metalloxidschicht könnten die virusbestückten Feldeffekttransistoren künftig auch genutzt werden, um etwa Methan in der Umgebungsluft zu detektieren.

Im interdisziplinären Projekthaus NanoBioMater erforscht Eiben zusammen mit Materialforschern, Verfahrenstechnikern und Chemikern Tabakmosaikviren in Hydrogelen für biokompatible Materialien, etwa zur Produktion von Gewebeersatz. Die Viren könnten als Gerüst für Zellen und Wachstumsfaktoren dienen oder um Kalziumphosphat abzuscheiden, das die Grundsubstanz unserer Knochen ist.

Ein Virus, das begeistert

Das Tabakmosaikvirus inspiriert Sabine Eiben immer wieder. Zu neuen Anwendungsideen, aber auch zu künstlerischen Bildern, die nun über ihrem Büroschreibtisch hängen. Auf Einladung des baden-württembergischen Kompetenznetzes für funktionelle Nanostrukturen durfte Eiben zusammen mit ihrer Chefin Christina Wege die Forschung der Arbeitsgruppe bei der Abschlussveranstaltung der diesjährigen Nobelpreisträgertagung präsentieren: Mit einem Stand waren sie auf der Bodenseerundfahrt des Landes am 1. Juli vertreten. „Obwohl die Tagung dieses Jahr der Physik gewidmet war, kamen sehr viele Leute vorbei, die sich für unsere biologischen Arbeiten im Grenzbereich zu physikalischen, chemischen und technischen Anwendungen interessiert haben“, schwärmt Eiben, die sich noch lebhaft an die lockere und angenehme Atmosphäre erinnert. Als eine der weltweit wenigen Pflanzenvirologinnen, die sich auch noch mit Nanotechnologie beschäftigen, gilt sie immer noch als Exotin in der Forscherwelt. Helmine Braitmaier

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