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#Neues aus der Industrie
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Die Virenfalle: Hohle Nano-Objekte aus DNA könnten Viren einfangen und unschädlich machen
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Bislang gibt es gegen die meisten Virusinfektionen kein wirksames Gegenmittel. Ein interdisziplinäres Forscherteam der Technischen Universität München (TUM) hat nun einen neuen Ansatz entwickelt: Sie verschlingen und neutralisieren Viren mit Nanokapseln, die mit der DNA-Origami-Methode aus genetischem Material maßgeschneidert werden. Die Strategie wurde bereits gegen Hepatitis- und Adeno-assoziierte Viren in Zellkulturen getestet. Sie könnte sich auch gegen Coronaviren bewähren.
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Es gibt Antibiotika gegen gefährliche Bakterien, aber nur wenige Gegenmittel gegen akute virale Infektionen. Einige Infektionen können durch Impfungen verhindert werden, aber die Entwicklung neuer Impfstoffe ist ein langwieriger und mühsamer Prozess.
Nun schlägt ein interdisziplinäres Forscherteam der Technischen Universität München, des Helmholtz Zentrums München und der Brandeis University (USA) eine neuartige Strategie zur Behandlung akuter viraler Infektionen vor: Das Team hat Nanostrukturen aus DNA, der Substanz, aus der unser Erbgut besteht, entwickelt, die Viren einfangen und unschädlich machen können.
DNA-Nanostrukturen
Schon bevor die neue Variante des Coronavirus die Welt in Atem hielt, arbeiteten Hendrik Dietz, Professor für Biomolekulare Nanotechnologie am Fachbereich Physik der Technischen Universität München, und sein Team an der Konstruktion von virusgroßen Objekten, die sich selbst zusammensetzen.
1962 entdeckten der Biologe Donald Caspar und der Biophysiker Aaron Klug die geometrischen Prinzipien, nach denen die Proteinhüllen von Viren aufgebaut sind. Basierend auf diesen geometrischen Vorgaben entwickelte das Team um Hendrik Dietz an der Technischen Universität München, unterstützt von Seth Fraden und Michael Hagan von der Brandeis University in den USA, ein Konzept, das es ermöglichte, künstliche Hohlkörper in der Größe eines Virus herzustellen.
Im Sommer 2019 stellte sich das Team die Frage, ob solche Hohlkörper auch als eine Art "Virenfalle" genutzt werden können. Würden sie im Inneren mit virusbindenden Molekülen ausgekleidet, sollten sie Viren fest binden und so aus dem Verkehr ziehen können. Dazu müssten die Hohlkörper aber auch ausreichend große Öffnungen haben, durch die Viren in die Schalen gelangen können.
"Keines der Objekte, die wir damals mit der DNA-Origami-Technik gebaut hatten, hätte einen ganzen Virus verschlingen können - sie waren einfach zu klein", sagt Hendrik Dietz rückblickend. "Stabile Hohlkörper in dieser Größe zu bauen, war eine große Herausforderung."
Der Bausatz für eine Virenfalle
Ausgehend von der geometrischen Grundform des Ikosaeders, einem Objekt, das aus 20 dreieckigen Flächen besteht, entschied sich das Team, die Hohlkörper für die Virenfalle aus dreidimensionalen, dreieckigen Platten zu bauen.
Damit sich die DNA-Plättchen zu größeren geometrischen Strukturen zusammensetzen können, müssen die Kanten leicht abgeschrägt sein. Die richtige Wahl und Positionierung der Bindungspunkte an den Kanten sorgt dafür, dass sich die Platten selbst zu den gewünschten Objekten zusammensetzen.
"Auf diese Weise können wir nun die Form und Größe der gewünschten Objekte anhand der exakten Form der dreieckigen Platten programmieren", sagt Hendrik Dietz. "Wir können nun Objekte mit bis zu 180 Untereinheiten herstellen und erreichen Ausbeuten von bis zu 95 Prozent. Der Weg dorthin war allerdings recht steinig, mit vielen Iterationen."
Viren werden zuverlässig blockiert
Durch Variation der Bindungspunkte an den Kanten der Dreiecke können die Wissenschaftler des Teams nicht nur geschlossene Hohlkugeln, sondern auch Kugeln mit Öffnungen oder Halbschalen herstellen. Diese können dann als Virenfallen eingesetzt werden.
In Zusammenarbeit mit dem Team von Prof. Ulrike Protzer, Leiterin des Instituts für Virologie der TUM und Direktorin des Instituts für Virologie am Helmholtz Zentrum München, testete das Team die Virusfallen an Adeno-assoziierten Viren und Hepatitis-B-Viruskernen.
"Schon eine einfache Halbschale in der richtigen Größe zeigt eine messbare Reduktion der Virusaktivität", sagt Hendrik Dietz. "Bringen wir im Inneren fünf Bindungsstellen für das Virus an, zum Beispiel geeignete Antikörper, können wir das Virus bereits zu 80 Prozent blockieren, bauen wir mehr ein, erreichen wir eine vollständige Blockade."
Um zu verhindern, dass die DNA-Partikel in Körperflüssigkeiten sofort abgebaut werden, bestrahlte das Team die fertigen Bausteine mit UV-Licht und behandelte die Außenseite mit Polyethylenglykol und Oligolysin. So waren die Partikel in Mäuseserum 24 Stunden lang stabil.
Ein universelles Bauprinzip
Der nächste Schritt ist nun, die Bausteine an lebenden Mäusen zu testen. "Wir sind sehr zuversichtlich, dass dieses Material auch vom menschlichen Körper gut vertragen wird", sagt Dietz.
"Bakterien haben einen Stoffwechsel. Wir können sie auf verschiedene Arten angreifen", sagt Prof. Ulrike Protzer. "Viren hingegen haben keinen eigenen Stoffwechsel, weshalb antivirale Medikamente fast immer gegen ein bestimmtes Enzym in einem einzelnen Virus gerichtet sind. Eine solche Entwicklung braucht Zeit. Wenn sich die Idee, Viren einfach mechanisch zu eliminieren, realisieren lässt, wäre das breit anwendbar und damit ein wichtiger Durchbruch, vor allem für neu auftretende Viren.
Die Ausgangsmaterialien für die Virenfallen können biotechnologisch kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden. "Neben der vorgeschlagenen Anwendung als Virusfalle ergeben sich durch unser programmierbares System auch andere Möglichkeiten", sagt Hendrik Dietz. "Denkbar wäre auch der Einsatz als multivalenter Antigenträger für Impfungen, als DNA- oder RNA-Träger für die Gentherapie oder als Transportvehikel für Medikamente."
Referenz: "Programmable icosahedral shell system for virus trapping" von Christian Sigl, Elena M. Willner, Wouter Engelen, Jessica A. Kretzmann, Ken Sachenbacher, Anna Liedl, Fenna Kolbe, Florian Wilsch, S. Ali Aghvami, Ulrike Protzer, Michael F. Hagan, Seth Fraden und Hendrik Dietz, 14. Juni 2021, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-021-01020-4
Die Forschung wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Gemeinschaft im Rahmen des FET-Open-Projekts VIROFIGHT (Grant-Nr. 899619), dem Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen eines Consolidator Grant, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) durch SFB863 und TRR179, sowie durch Zuwendungen des Gottfried Wilhelm Leibniz Programms, des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) durch das Projekt StabVacB und des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung (DZIF), der Netherlands Organization for Scientific Research (NWO), der National Science Foundation der USA über das Brandeis University Materials Research Science and Engineering Center, des National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) der USA und der Alexander von Humboldt-Stiftung (AvH).
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