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18.11.1988 - 

Großattacke gegen lästige Viren:

Supercomputer im Kampf gegen den Schnupfen

James Thornton ist freier Mitarbeiter der Firmenzeitschrift "Logic" von Control Data. Die deutsche Bearbeitung des Textes besorgte Felix Weber.

Auf der Suche nach einem Impfstoff gegen die Schnupfenviren sind Michael Rossmann und seine Kollegen von der Purdue University einen entscheidenden Schritt weitergekommen. Ihr wichtigstes Hilfsmittel ist ein Großcomputer, mit dem sie die komplizierten biologischen Mechanismen simulieren können.

"Wenn Sie Medikamente schlucken, sind Sie den Schnupfen in sieben Tagen los; wenn Sie keine nehmen, dauert es eine Woche." - Vielleicht müssen die Ärzte ihren Spruch in Zukunft revidieren: nämlich dann, wenn es Spezialisten der Biotechnologie tatsächlich gelingen sollte, einen Impfstoff gegen die Erkältung zu finden.

Vorläufig sind sie von diesem ehrgeizigen Ziel zwar noch weit entfernt, aber den ersten Schritt haben sie doch bereits hinter sich: Mitte 1985 entschlüsselten Forscher der Universität Purdue im US-Bundesstaat Indiana die komplexe chemische Struktur des menschlichen Schnupfenvirus mit der Nummer 14 (Kürzel: HRV-14). Damit wurde zum ersten Mal ein animalisches Virus in atomischer Auflösung bestimmt.

Seitdem sind fünf andere Virenstrukturen - darunter jenes, das Kinderlähmung verursacht - nach den Methoden des Purdue-Teams aufgeschlüsselt worden. Jetzt versuchen die Forscher weltweit, die entscheidenden, aber bisher unbekannten Biomechanismen zu untersuchen: zum Beispiel wie Medikamente oder körpereigene Abwehrstoffe auf Viren wirken.

Daß es überhaupt soweit gekommen ist, verdanken die Wissenschaftler nicht nur ihrer Phantasie und ihrem akademischen Können, sondern einem Hilfsmittel, das heute auch in der Biochemie nahezu unentbehrlich geworden ist: dem Computer. Saul Rose, der EDV-Chef an der Purdue University, macht es klar: "Unsere Virenforschung ist eines der wichtigsten sichtbaren Resultate, das man mit heutigen Supercomputern erzielen kann."

Um ihr ehrgeiziges Forschungsprojekt durchzuziehen, rissen sich Rossmann und seine Kollegen anfangs 1985 volle 40 Prozent der Kapazität des Uni-Großcomputers unter den Nagel. Ohne den Superrechner (Cyber-205 von Control Data) wären sie gar nicht vorwärtsgekommen: "Die Maschine schafft zwar 200 Millionen Rechnungen pro Sekunde", erklärt Edward Arnold, einer der beteiligten Chemiker, "aber unsere Zahlenflut war so groß, daß die Maschine trotz zehnstündigen Tageseinsätzen einen ganzen Monat brauchte, um die Aufgabe zu lösen."

Viren sind sehr wählerisch

Das Purdue-Team machte das Schnupfenvirus HRV-14 zu ihrem Studienobjekt, weil es eine relativ einfache Struktur aufweist. Außerdem waren seine biologischen Funktionen schon früher von Wissenschaftlern der Universität Wisconsin erforscht worden.

Rossmann und seine Kollegen hofften, nicht nur die chemische Struktur des Virus herauszufinden, sondern auch deren Bedeutung bei der eigentlichen Infektion zu erkennen. Die Art und Weise, wie Viren den Körper attackieren, ist zwar schon länger bekannt - zumindest in groben Zügen: Wenn die Viren einmal in den Körper eingedrungen sind - zum Beispiel über die Atmung oder mit der Nahrung -, verbinden sie sich mit Rezeptoren auf der Membran ihrer Wirtszelle.

"Diese Zellrezeptoren haben eine ganze Reihe von Aufgaben zu bewältigen, zum Beispiel die Zellerkennung, den Informationsaustausch oder die Übermittlung von Signalen", erklärt Arnold. "Zellrezeptoren sind ideale Ziele für Viren, weil die Krankheitsträger so quasi durch den Haupteingang in die Zelle eindringen können, indem sie vorgeben, für normale Zellvorgänge zuständig zu sein."

Viren sind sehr wählerisch bei der Auslese der Zellen, die sie attackieren. Das Kinderlähmungs-Virus zum Beispiel greift Zellen im Zentralnervensystem an, während AIDS-Viren auf ganz bestimmte Zellen im Immunsystem spezialisiert sind, die sogenannten T-4-Zellen. Schnupfenviren wiederum suchen die komplexen Zuckerverbindungen.

Interessanterweise ist Nasenschleim ein guter Lieferant von solchen Zuckerverbindungen. Die für uns lästige Überproduktion von Nasenschleim bei einem starken Schnupfen entpuppt sich damit als wirksame Abwehrmethode gegen die attackierenden Viren: Dank der tropfenden Nase gelangt ein großer Teil von ihnen erst gar nicht ins Körperinnere.

Sobald es einem Virus gelungen ist, in eine Zelle einzudringen, wird es dort solange reproduziert, bis es in Tausenden von Kopien vorliegt. Schließlich bricht die Zellmembran auf, und die Unheilbringer gelangen ins umliegende Gewebe, wo sie die Nachbarzellen infizieren. Dann geht es nach dem Schneeballprinzip munter weiter, bis endlich das Immunsystem des Körpers eingreift und dem wüsten Treiben ein Ende setzt.

Einen Spezialfall bilden die AIDS-Viren: Weil sie das Immunsystem selbst angreifen, ist dieses nach einer gelungenen Viren-Attacke gar nicht mehr imstande, für Ordnung zu sorgen. Die Krankheit kann sich so länger und ungestörter ausbreiten - bis der Patient stirbt.

Hat der menschliche Körper einmal mit der Produktion von Abwehrstoffen auf eine bestimmte Virusart reagiert, so bleiben diese im Blutstrom erhalten und nehmen ihre Schutzfunktion auch in Zukunft wahr. Impfstoffe wie das Serum gegen die Kinderlähmung enthalten oft geschwächte oder tote Viren, die die Produktion von Abwehrstoffen stimulieren, ohne daß die eigentliche Krankheit zum Ausbruch kommt.

Der Krieg findet an 100 Fronten statt

Das große Problem bei der Entwicklung von Impfstoffen ist, daß sie meist gegen unterschiedliche Virenarten wirksam sein müssen. Für die Bekämpfung der Maul- und Klauenseuche zum Beispiel braucht es ein Mittel gegen sieben verschiedene Virentypen, die die Krankheit auslösen können. Noch komplizierter ist es beim gewöhnlichen Schnupfen: Die alltägliche Plage kann durch über 100 verschiedenartige Angreifer ausgelöst werden, die einzeln oder gehäuft auftreten können. Ein wirksamer Schnupfenimpfstoff müßte also Dutzende von Serumtypen enthalten, von denen jedes auf ein ganz bestimmtes Schnupfenvirus spezialisiert ist.

Theoretisch ist das zwar möglich. Nur sind leider nicht alle Schnupfenviren bekannt, und zudem mutieren sie ständig in neue, unbekannte Formen. Fazit: Bevor die komplexe Physiologie der Schnupfenviren nicht besser bekannt ist, wird man diese uralte Plage der Menschheit wohl kaum ausrotten können.

In der Theorie einfach, in der Praxis schwierig

Mit der Entschlüsselung des HRV-14-Virus sind die Forscher diesem Ziel immerhin einen Schritt näher gekommen. Der Schlüssel zur Virusstruktur ist das Verfahren der Röntgenstrahl-Kristallographie.

Dazu muß man die Viren erst in Zellkulturen heranzüchten, aus den Wirtszellen extrahieren und schließlich in Kristalle umwandeln. Während die Züchtung pflanzlicher Viren heute reine Routinesache ist - man braucht dazu bloß eine Pflanze zu infizieren -, ist die "Fabrikation" menschlicher Krankheitserreger viel problematischer: Schließlich können die Forscher nicht einfach jemand zu Versuchszwecken infizieren.

Statt dessen verwenden sie spezielle Zellen, die die gewünschten Viren heranbrüten. Dann werden die Viren in einer Zentrifuge extrahiert, gereinigt und in Kristalle umgewandelt - so, wie man Kandiszucker herstellt. Theoretisch hört sich das alles sehr einfach an; die Praxis ist wesentlich komplizierter. Jim Griffith, der sich an der Purdue University mit diesen Problemen herumschlug, hatte jedenfalls am Anfang einige Mühe, Kristalle in der gewünschten Qualität heranzuzüchten: Er brauchte eine ganze Woche, um 40 Kristalle zu züchten, die so klein wie Sesam-Körnchen waren.

In einem nächsten Schritt werden in regelmäßigen Abständen Röntgenstrahlen durch die Kristalle geschickt, um den Virus "Scheibe für Scheibe" zu durchleuchten. Die Strahlen erzeugen auf einer Fotoplatte ein aus 40 000 Punkten zusammengesetztes Muster.

Um ein Bild des Virus zu gewinnen, müßten die Wissenschaftler die Röntgenstrahlen mit einer Linse auf einen Schirm projizieren können. Da es keine solche Linse gibt, greifen die Purdue-Forscher zum Computer, der die Abbildung errechnet und auf einem Grafik-Bildschirm präsentiert.

Allerdings ist es nicht irgendein beliebiger Computer, mit dem Rossmann und seine Kollegen Virenforschung betreiben, sondern ein Hochleistungsrechner. Während die Forscher mit ihrem früheren Computer beinahe ein Jahrzehnt gebraucht hatten, um die Struktur des Bohnenvirus zu bestimmen, lieferte der jetzige die Resultate beim sehr viel komplexeren Schnupfenvirus HRV-14 schon nach ein paar Monaten.

"Der schnelle Rechner war ein entscheidender Faktor bei unserer Arbeit", erklärt Rossmann. "So konnten wir ein wichtiges Experiment, von dem wir nicht wußten, ob es gelingen würde, in einer Woche durchführen. Mit dem etwa 100mal langsameren Rechner, der uns vorher zur Verfügung stand, hätten wir das nie gewagt: Wer will schon das Risiko eingehen, wegen eines gescheiterten Projekts zwei Jahre zu verlieren?"

An einem Samstag im April 1985 begann der Rechner endlich, die Struktur des Schnupfenvirus auf transparente Folien zu plotten. Jede Folie zeigte eine Scheibe von HRV-14. Schließlich nahm Arnold die Folien und fügte sie zusammen. Falls Rossmanns Theorie und die Berechnungen richtig waren, mußte alles schön zueinander passen. Obwohl allen Teammitgliedern klar war, daß die Möglichkeit von Fehlern groß war, gaben sie sich dennoch vorsichtig optimistisch.

Schnupfenimpfung noch in weiter Ferne

Tags darauf kam Rossmann in aufgeräumter Stimmung in den Computerraum und schrieb in großen Lettern an die Wandtafel: "Dies ist die bestmögliche Darstellung des Virus. Heureka!" Ein eingehendes Studium des vom Computer errechneten Modells hatte ihn zu dieser Überzeugung gebracht.

Dann machten sich die Wissenschaftler daran, herauszufinden, was sie eigentlich entdeckt hatten: Das Schnupfenvirus besteht aus zwölf symmetrisch angeordneten Kapseln, vergleichbar etwa mit einer aus zwölf Chrysler-Firmenzeichen zusammengesetzten Kugel (siehe Abbildung 3). Die Oberfläche des Virus ist mit engen Spalten durchfurcht, die von steilen Kanten gesäumt werden. Die Stelle, an der sich ein infizierendes Virus mit einer Zellmembran verbindet, liegt in diesen Furchen versteckt.

Seit Jahren schon war bekannt, daß der Infektionsherd bei einer Vielzahl der über 100 Schnupfenviren chemisch identisch ist. Weshalb können denn diese nicht mit einem einzigen Abwehrstoff unschädlich gemacht werden? Rossmanns Computermodell gab endlich eine befriedigende Antwort: Die Furchen der Schnupfenviren sind für menschliche Abwehrstoffe zu eng. Statt in die Spalten einzudringen und so den Angreifer unschädlich zu machen, hängen sich Abwehrstoffe an die umliegenden Kanten. Diese sind jedoch von Virus zu Virus verschieden und können zudem regelmäßig in neue Formen mutieren.

Die Forschungsergebnisse zeigen also, daß die Entwicklung eines Impfstoffs, der gleichzeitig gegen alle Schnupfenviren wirkt, ein Ding der Unmöglichkeit ist. "Dank seiner Struktur entzieht sich das Schnupfenvirus jeglicher Immunkontrolle", faßt Arnold die Situation zusammen.

Allerdings ist deswegen der Krieg gegen Schnupfen und Erkältungen noch nicht hoffnungslos verloren. Thomas Smith, ein anderes Purdue-Teammitglied, fand eine andere Möglichkeit, den lästigen Viren auf den Leib zu rücken: Er konnte mit Computerhilfe zum ersten Mal die Wirkung eines Abwehrstoffes auf den Virusmantel aufzeigen: Ein Abwehrstoff, der exakt zum Virus paßt, agiert dabei als chemischer Pfropf und verhindert, daß sich das Virus reproduzieren kann. "Leider finden die Viren durch Mutation schnell einen Ausweg aus dieser Situation", bedauert Smiths Kollege Arnold: "Sie verändern sich einfach solange, bis das Medikament nicht mehr paßt."

Je mehr jedoch die Forscher über die Biologie der Viren auf Atomebene erfahren, desto wahrscheinlicher wird es auch, daß sie Mittel und Wege finden, um in die Lebenszyklen der Plagegeister einzugreifen. Das Entkommen aus dem Würgegriff künftiger Medikamente wird dann den Viren nicht mehr so leicht gelingen. Michael Rossmann jedenfalls äußert sich optimistisch: "Die von uns entwickelte Technik haben wir gut im Griff. Wir kennen zwar im Moment erst wenige Virenstrukturen - bei den kugelförmigen sind es ein halbes Dutzend. Es sollte jetzt aber nicht mehr so schwierig sein, die Struktur weiterer Viren zu bestimmen und damit einen entscheidenden Beitrag zur Bekämpfung von Krankheiten zu leisten."