Untersuchung der raumzeitlichen Bindungsdynamik von Coronaviren und der Infektionsmechanismen mit 100 Hz ROCS Mikroskopie und thermischer Fluktuationsanalyse

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Virologie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458687324

Die Infektion mit Coronaviren besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden Schritten, wobei Diffusionskontakt und Anbindung die ersten entscheidenden Prozesse sind, bevor das Virus in die Zelle eintritt. Jedoch ist aufgrund der extrem hohen Dynamik der nur 0.1 Mikrometer großen Viruspartikel, die Beobachtung und tiefergehende Untersuchung dieser ersten Wechselwirkungs-schritte vor dem Zelleintritt mit herkömmlicher Messtechnik bisher nicht möglich gewesen. Darüber hinaus ist die Virus-Wirt Wechselwirkung verkompliziert durch die Rauhigkeit der Zelloberflächen, bei denen häufig Filopodien an der Virusaufnahme beteiligt sind.Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entschlüsselung des dynamischen, diskontinuierlichen Bindungsprozesses von Viren, welcher durch thermische Fluktuationen in Position und Orientierung bestimmt ist. Dieser Prozess kann bis zu 30 Minuten dauern, bevor das Virus in den Wirt eintritt. Wir wollen den entscheidenden Anbindungsprozess der Viren mit mehr als 100.000 Bildern bei 100 Hz Bildaufnahmerate ohne Verlust an Bildqualität aufzeichnen mittels einer neuen, markierungsfreien Superauflösungs-Mikroskopie Methode, welche auf rotierendem, kohärent gestreuten Licht eines blauen Lasers basiert (ROCS), welche zuletzt in unserem Labor entwickelt wurde. Durch automatisches Tracking und Analysieren von thermischen Positionsfluktuationen der Viren über Sekunden und Minuten hinweg, wollen wir die zeitlichen Veränderungen in der Bindungsstärke von 10-100 Viren pro einzelne Zelle bestimmen.Mit diesen neuen Mess- und Analysemethoden wollen wir die An- und Ab-Bindungsraten von Pseudo-Viren (mit SARS-COV-19 Spikes) quantifizieren, welche spezifisch an ACE-2 Rezeptoren binden - vom ersten Kontakt bis zur Aufnahme in die Zelle. Durch die Aufnahme einer hohen Anzahl von Virus-Fluktuationstrajektorien können wir das Bindungsverhalten mit hoher statistischer Konfidenz analysieren. Insbesondere wollen wir das raumzeitliche Bindungsverhalten der Viren an Lungen-Epithelzellen und Lungen-Makrophagen untersuchen, welche ACE-2 Rezeptoren exprimieren. In einem letzten Schritt des Vorhabens werden wir den Einfluss von Drogen wie ACE-2 Rezeptor Blockern auf die Virusdynamik untersuchen, mit dem Ziel, bessere Einblicke in mögliche Interventionsmechanismen zu finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen