Physiker der Uni Bielefeld machen mit modernster Mikroskopie Abwehrstrategie sichtbar

Zellen binden Coronaviren

„Die Studie zeigt, dass das Heliumionen-Mikroskop geeignet ist, um Coronaviren abzubilden – und zwar so genau, dass sich das Zusammenspiel von Viren und Wirtszelle beobachten lässt“, sagt die Physikerin Dr. Natalie Frese. Sie forscht in der Arbeitsgruppe „Physik supramolekularer Systeme und Oberflächen“ an der Physikfakultät der Uni Bielefeld. Die hatte 2010 als erste deutsche Universität ein Heliumionen-Mikroskop angeschafft.

Die Studie ist in Kooperation mit der Justus-Liebig-Universität Gießen und dem Klinikum Bielefeld entstanden. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler am Dienstag in einem Fachmagazin veröffentlicht.

Coronaviren sind winzig klein: Sie haben einen Durchmesser von nur etwa 100 Nanometern, also 100 Milliardstel Metern. Mit dem Virus infizierte Zellen wurden bisher vor allem mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Dabei rastert ein Elektronenstrahl die Zelle ab und liefert ein Bild der Oberflächenstruktur der mit Viren besetzten Zelle.

Der Nachteil: Die Probe lädt sich während des Mikroskopievorgangs elektrostatisch auf. Da die Ladungen bei nichtleitenden Proben – wie etwa Viren oder anderen biologischen Organismen – nicht abtransportiert werden, müssen die Proben mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, etwa einer dünnen Goldschicht, überzogen werden.

„Diese leitende Schicht verändert allerdings auch die Oberflächenstruktur der Probe“, sagt Prof. Dr. Armin Gölzhäuser. Die Heliumionen-Mikroskopie hingegen benötigt keine Beschichtung und erlaubt ein direktes Abtasten. Zudem besitzt das Heliumionen-Mikroskop eine höhere Auflösung und eine größere Schärfentiefe.

In ihrer Studie haben die Wissenschaftler Zellen, die künstlich aus dem Nierengewebe einer Affenart gewonnen werden, mit Sars-CoV-2 infiziert und mikroskopiert. „Unsere Aufnahmen ermöglichen einen direkten Blick auf die 3D-Oberfläche der Coronaviren und der Nierenzelle – mit einer Auflösung im Bereich weniger Nanometer“, sagt Frese. Dadurch wurden die Interaktionen zwischen den Viren und der Nierenzelle sichtbar.

„Die Heliumionen-Mikroskopie eignet sich sehr gut, um die Abwehrmechanismen der Zelle, die sich an der Zellmembran abspielen, darzustellen“, sagt auch der Virologe Prof. Dr. Friedemann Weber. Er forscht in Gießen zu Sars-CoV-2 und hat für die Studie mit den Bielefeldern zusammengearbeitet. Prof. Dr. Holger Sudhoff, Chefarzt der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Kopf- und Halschirurgie am Klinikum Bielefeld, ergänzt, dass dadurch das Infektionsgeschehen bei Covid-19-Erkrankten besser verstanden werde.

Die noch junge Heliumionen-Mikroskopie wird vor allem in der Nanotechnologie eingesetzt; die Untersuchung biologischer Proben mittels Heliumionen-Technologie ist weltweit noch selten. „Unsere Studie zeigt, dass es hier ein großes Potenzial gibt“, sagt Gölzhäuser.