Coronavirus, HIV, Grippeerreger und Co: Viele unterschiedliche virale Erreger plagen die Menschheit und stehen deshalb intensiv im Fokus der Wissenschaft. Ihre Erforschung ist allerdings deutlich kniffliger als im Fall der Bakterien. Denn im Gegensatz zu diesen Einzellern handelt es sich bei Viren um extreme Winzlinge ohne eigenen Stoffwechsel: Viren-Partikel bestehen nur aus einer proteinbesetzten Hülle, in der Erbgut verpackt ist. Die Infektion beginnt, wenn sich ein Virus an eine Zelle bindet und in sie eindringt. Anschließend bringt es die zelluläre Maschinerie dazu, sein virales Erbgut zu vervielfältigen und weitere Viren-Partikel herzustellen. Diese Nachkommen gehen dann erneut auf die Reise, um weitere Zellen zu kapern.
Wie verläuft der Weg zum Tatort?
Um eine Infektion auszulösen, muss ein Virus-Partikel zunächst durch Diffusionsprozesse die schützenden Schichten aus Schleim und äußeren Zellen durchdringen, die unsere Atemwege und den Darm auskleiden. Obwohl Viren mit Mikroskopietechniken in und an Zellen gut sichtbar gemacht werden können, konnten sie auf diesem wichtigen Weg vor der Infektion bisher nicht deutlich beobachtet werden. Das liegt zum Teil daran, dass sich die im Vergleich zu den Zellen winzigen Viren-Partikel durch die dynamischen Prozesse im freien Raum viel schneller bewegen als im Zellinneren. „Bei mikroskopischen Untersuchungen ist es so, als würde man versuchen, Aufnahmen von einer Person zu machen, die sich vor einem Wolkenkratzer bewegt: Man kann nicht das ganze Gebäude und gleichzeitig die Details der Person davor mit einem einzigen Bild erfassen”, erklärt Seniorautor Kevin Welsher von der Duke University in Durham. Doch ihm und seinem Team ist es nun gelungen, eine Methode zu entwickelt, die Echtzeitaufnahmen von Viren ermöglicht, während sie sich ihren zellulären Zielen nähern.
Sie nennen ihr Verfahren 3D-Tracking and Imaging Microscopy (3D-TrIm). Es basiert im Wesentlichen auf der Kombination von zwei Mikroskopen. Das erste erfasst dabei ein durch Fluoreszenz-Substanzen markiertes Virus bei seinen schnellen Bewegungen im Umfeld von lebenden Zellen. Dabei schwenkt zudem ein Laser mit hoher Geschwindigkeit um das leuchtende Virus herum, um seine Position zu berechnen und zu aktualisieren. Während die feinen dynamischen Prozesse in den Zwischenräumen und an den Zelloberflächen das Virus bewegen, wird der Objektträger ständig subtil nachgeführt, um es im Fokus zu halten. Parallel zur Verfolgung des leuchtenden Virus nimmt das zweite Mikroskop dreidimensionale Bilder von den umliegenden Zellen auf. Aus der Kombination beider Datenquellen entsteht dann ein Resultat, das mit dem Eindruck beim Navigieren mit Google Maps vergleichbar ist, erklären die Forscher: Neben dem aktuellen Standort während der Bewegung, werden auch das Gelände, Sehenswürdigkeiten und die allgemeine Lage des Umfeldes angezeigt.
