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Eine mit SARS-CoV-2-infizierte Nierenzelle eines toten Affen unter dem Heliumionen-Mikroskop (ausschnittsweise Vergrößerung von links nach rechts, ein einzelnes Virus ist etwa 100 Nanometer groß): Die Aufnahmen weisen darauf hin, dass manche Coronaviren beim Austritt aus der Zelle nur lose aufliegen, während andere Viren an die Zelle gebunden sind.

Wissenschaftler aus Gießen und Bielefeld

Corona-Forscher machen mit Spezial-Mikroskop nanometergenaue Virus-Bilder

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Forschern aus Gießen und Bielefeld haben das Coronavirus erstmals mit einem Heliumionen-Mikroskop abgebildet. So können sie sehen, wie das Virus mit Zellen inteagiert.

Gießen (pm). Wissenschaftler der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld ist es in Kooperation mit Forschenden der Justus-Liebig-Universität Gießen erstmals gelungen, das Coronavirus SARS-CoV-2 mit einem Heliumionen-Mikroskop abzubilden. Im Gegensatz zur herkömmlicheren Elektronenmikroskopie müssen die Proben bei der Heliumionen-Mikroskopie nicht mit einer dünnen Metallschicht überzogen werden.

Dadurch lassen sich Interaktionen zwischen den Coronaviren und ihrer Wirtszelle besonders gut beobachten. Ihre Ergebnisse, haben die Wissenschaftler im Fachmagazin »Beilstein Journal of Nanotechnology« veröffentlicht.

Corona-Forschung: Neue Studie zu Heliumionen-Mikroskop erscheint

»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 ist Erstautorin der Studie und forscht in der Arbeitsgruppe »Physik supramolekularer Systeme und Oberflächen« an der Fakultät für Physik.

Coronaviren sind winzig klein - im Durchmesser nur etwa 100 Nanometer, also 100 Milliardstel Meter. Mit dem Virus infizierte Zellen wurden bisher vor allem mit Rasterelektronenmikroskopen untersucht. Dabei rastert ein Elektronenstrahl die Zelle ab und liefert ein Bild der Oberflächenstruktur der mit Viren besetzten Zelle. Rasterelektronenmikroskope haben jedoch einen Nachteil: Die Probe lädt sich während des Mikroskopievorgangs elektrostatisch auf. Weil die Ladungen bei nichtleitenden Proben, zum Beispiel Viren oder anderen biologischen Organismen, nicht abtransportiert werden, müssen die Proben mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, etwa einer dünnen Goldschicht, überzogen werden.

Corona-Forschung: Versuche an Affenzellen finden statt

»Diese leitende Schicht verändert allerdings auch die Oberflächenstruktur der Probe. Die Heliumionen-Mikroskopie benötigt keine Beschichtung und erlaubt daher ein direktes Abtasten«, sagt Prof. Armin Gölzhäuser, der die Arbeitsgruppe »Physik supramolekularer Systeme und Oberflächen« leitet. Beim Heliumionen-Mikroskop rastert ein Strahl aus Heliumionen die Oberfläche der Probe ab. Heliumionen sind Heliumatome, denen jeweils ein Elektron fehlt - sie sind also positiv geladen. Der Ionenstrahl lädt die Probe ebenfalls elektrostatisch auf, dies kann jedoch ausgeglichen werden, indem die Probe zusätzlich mit Elektronen bestrahlt wird. Zudem besitzt das Heliumionen-Mikroskop höhere Auflösung und größere Schärfentiefe.

In ihrer Studie haben die Wissenschaftler mehrere Zellen, die künstlich aus dem Nierengewebe einer Affenart gewonnen werden, mit SARS-CoV-2 infiziert und im toten Zustand mikroskopiert.

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»Unsere Aufnahmen ermöglichen einen direkten Blick auf die 3-D-Oberfläche der Coronaviren und der Nierenzelle - mit einer Auflösung im Bereich weniger Nanometer«, sagt Frese. Dadurch konnten die Forschenden Interaktionen zwischen den Viren und der Nierenzelle sichtbar machen.

Ihre Studienergebnisse weisen etwa darauf hin, dass sich mit dem Heliumionen-Mikroskop beobachten lässt, ob einzelne Coronaviren nur auf der Zelle aufliegen oder an sie gebunden sind. Das ist wichtig, um Abwehrstrategien gegen das Virus zu verstehen: Eine infizierte Zelle kann die Viren, die sich in ihrem Inneren bereits vermehrt haben, beim Austritt an ihre Zellmembran binden und so verhindern, dass sie sich weiter ausbreiten.

»Die Heliumionen-Mikroskopie eignet sich sehr gut, um die Abwehrmechanismen der Zelle darzustellen, die sich an der Zellmembran abspielen«, sagt auch der Virologe Prof. Friedemann Weber. Er forscht an der Justus-Liebig-Universität Gießen zu SARS-CoV-2 und hat für die Studie mit den Bielefelder Forschenden eng zusammengearbeitet.

Prof. Holger Sudhoff, Chefarzt der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde an der Uni in Bielefeld, ergänzt: »Die Heliumionen-Mikroskopie kann dabei helfen, das Infektionsgeschehen bei Covid-19-Erkrankten besser zu verstehen.«

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