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Christina Wege - von Pflanzenviren zu Biomaterialien

Pflanzenviren sind biotechnologisch vielseitig für den Menschen nutzbar. Sie geben unter anderem gute Gerüststrukturen für bioaktive Moleküle ab, was künftig Implantate verbessern könnte. Diese und weitere Optionen der für Menschen unschädlichen Viren erforscht Prof. Dr. Christina Wege an der Universität Stuttgart.

Prof. Dr. Christina Wege forscht und lehrt seit 1994 auf dem Gebiet der Pflanzenvirologie an der Universität Stuttgart. © privat

„Wir essen sie praktisch täglich mit, sie sind in Gurken, Tomaten und Kartoffeln ebenso präsent wie im Obst. Und in Form des Tabakmosaikvirus werden sie mitgeraucht“, sagt Prof. Dr. Christina Wege vom Biologischen Institut der Universität Stuttgart über Pflanzenviren. Sie hat die Winzlinge zum Zentrum ihres Forscherlebens gemacht. Dabei hatte sie sich die Entscheidung für eine wissenschaftliche Karriere lange offen gehalten. Wege studierte an der Universität Hamburg Diplom-Biologie und parallel dazu Journalistik, ein spezielles Hamburger Zusatzstudium mit Abschlusszertifikat. Trotz spannender praktischer Erfahrungen bei PR-Agenturen und dem NDR entschied sich Wege dann aber doch für die biologische Forschung. „Pflanzenkrankheiten haben mich tatsächlich schon als Kind fasziniert, seit mir ein Freund der Familie Einblick gab in seine Arbeit für das schleswig-holsteinische Pflanzenschutzamt“, sagt die Forscherin.

Wege schrieb ihre Doktorarbeit Ende der 90-er Jahre über Geminiviren, genauer gesagt über die Funktion unterschiedlicher Virusproteine. Zu dieser Zeit war sie mit Prof. Dr. Holger Jeske und anderen Kollegen aus seiner Arbeitsgruppe bereits an die Universität Stuttgart gewechselt. Die Gruppe der Geminiviren ist nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern umfasst landwirtschaftlich hoch relevante Erreger von Pflanzenkrankheiten. „Geminiviren sind weltweit für große Schäden und Ernteverluste verantwortlich. Zum Beispiel kann in weiten Gebieten Indiens und Afrikas die Maniok-Ernte ausfallen, wenn die vom Virus befallenen Pflanzen keine Wurzelknollen mehr bilden und regelrecht verkümmern“, so Wege.

Nanotechnologen entdecken den Nutzen von Pflanzenviren

Die Forschungsarbeit von Prof. Dr. Wege konzentriert sich unter anderem auf TMV, das Tabakmosaikvirus; hier ein befallenes Tabakblatt. © Christina Wege, Uni Stuttgart

Wege hat mit ihrer grundlagenorientierten molekularbiologischen Forschung einen Teil dazu beigetragen, das Virusgeschehen zu entschlüsseln und Ansatzpunkte zur Virenbekämpfung zu finden. So hat sie mit ihrem Team herausgefunden, dass die Viren das Pflanzengewebe wesentlich stärker durchdringen, wenn sie in Kombination auftreten, wenn also zwei oder mehr Virusarten zugleich am Werk sind. „Das kann zum Beispiel vorkommen, wenn Insekten mehrere Viren übertragen. Ein Virus kann dann von den Tricks profitieren, mit denen das andere Virus den pflanzlichen Abwehrmechanismus ausschaltet, und sich quasi unbemerkt mit in das Pflanzengewebe einschleichen. Eventuell können hier Bekämpfungsstrategien ansetzen, wenn wir Schutzreaktionen der Pflanze auf molekularbiologischem Weg stabilisieren“, erklärt Wege.

Biotechnologisch lassen sich die verschiedensten Virenkonstrukte herstellen. Hier ein Morgenstern-artiges Gebilde mit Goldpartikeln am Ende der „Zacken". Der „Nukleoprotein-Gold Nanostar" entstand in Weges Labor. © Christina Wege, Uni Stuttgart

Obwohl solche Arbeiten für die Landwirtschaft enorm wichtig sind, gibt es laut Wege weltweit nur noch wenige Arbeitsgruppen, die Pflanzenviren molekularbiologisch erforschen. Das liegt ihrer Meinung nach unter anderem daran, dass die großen Schäden weniger die industrialisierten Regionen betreffen, sondern vor allem südliche, wirtschaftlich weniger starke Länder. „Die großen Förderschwerpunkte sind international nun einmal an anderen Themen orientiert“, so Wege. Das könnte sich jedoch bald ändern, denn die Nano- und Biotechnologen sind gerade dabei, den vielfältigen Nutzen von Pflanzenviren zu entdecken. Seit einigen Jahren hat auch Wege ihrer Arbeit einen neuen Schwerpunkt hinzugefügt und entwickelt virusbasierte Strukturen für medizinische und technische Anwendungen. Dabei kommt vor allem das Tabakmosaikvirus, kurz TMV, zum Einsatz.

Nano-Drähte, -Bumerangs und -Morgensterne

TMV besteht aus einer steifen, rund 300 Nanometer langen Röhre, bei der Hüllproteine eine innenliegende RNA umgeben. „Auf 100 Nanometer Viruslänge kommen rund 700 TMV-Hüllproteine, die so mit der RNA wechselwirken, dass diese eine in den Proteinmantel eingebettete helikale Wendel bildet“, so Wege. Sie hat es mit ihrem Team geschafft, die Hüllproteine biotechnologisch derart zu verändern, dass Kooperationspartner aus der Chemie im Lumen der Virusröhre Metalle so effizient abscheiden können, dass winzige, nur drei Nanometer dicke „Nanodrähte“ aus Kuper, Nickel, Kobalt oder Legierungen entstehen. Diese könnten zum Beispiel in der Sensor- oder Nanoprozesstechnologie einsetzbar sein.

Prof. Dr. Christina Wege macht aus Pflanzenviren Funktionsträger für die verschiedensten Anwendungen. Hier ein Monofunktionsstäbchen, bei dem ein Teil des Viruskonstruktes mit funktionellen Gruppen versehen wurde. © Christina Wege, Uni Stuttgart

Mit veränderter, synthetisch hergestellter Virus-RNA und TMV-Proteinen lassen sich auch noch ganz andere Formen schaffen. Die Stuttgarter Forscher haben bereits „Nano-Bumerangs“ mit definierten Armlängen hergestellt und sternchenartige Strukturen, die an mittelalterliche Morgensterne erinnern. „Wir haben uns einen Baukasten erarbeitet, mit dem wir die unterschiedlichsten Konstrukte herstellen können, sei es gerade in definierter Länge, geknickt oder verzweigt“, sagt Wege. Außerdem lassen sich ganz unterschiedliche Andockstellen einbauen. Und hier wird es medizinisch interessant. Den Konstrukten können zum Beispiel Ankergruppen für Peptide verpasst werden, die mit Enzymen, Antikörpern oder medizinischen Wirkstoffen gekoppelt werden können. Zum einen zielt das auf eine Anwendung in Testsystemen, zum anderen auf Systeme zur Wirkstoffverabreichung, etwa in Bioimplantaten oder zur Tumortherapie. Der große Vorteil der virusbasierten Konstrukte: Die gewünschten Moleküle lassen sich auf den Röhren mit ihren hunderten von Proteineinheiten in starrer, definierter Anordnung und viel dichter nebeneinander anbinden als auf anderen Oberflächen oder flexiblen Trägern – Ebenen oder Fasern können laut Wege technisch nicht so dicht und vorhersagbar bestückt werden.

Seit Neuestem ist Wege gemeinsam mit Prof. Dr. Günther Tovar vom Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP Koordinatorin des Verbunds „Projekthaus NanoBioMater“ der Universität Stuttgart, das von der Carl-Zeiss-Stiftung gefördert wird. Ziel ist die Entwicklung von neuartigen Hydrogelen als biologische Funktionsmaterialien. Wege will dafür Viruskonstrukte beisteuern und nennt medizinische Beispiele für den Nutzen. „Es ist zum Beispiel möglich, Peptide an die Viruskonstrukte anzubinden, die eine Differenzierung von Knochenmarkzellen unterstützen. Das wurde bereits von anderen gezeigt. Außerdem könnten in einem implantierbaren Hydrogel Peptide an die Virenstrukturen gebunden werden, die eine Biomineralisierung vermitteln und dadurch zur Knochenheilung beitragen.“ Zweite Zielrichtung ist die Entwicklung neuer aktiver Materialien, die zu hochempfindlichen Biosensoren und kontrollierten Katalysesystemen zur Herstellung komplexer Substanzen führen könnten.

Virale Konstrukte als Gerüstsubstanz und Wirkstoff-Shuttle

Ein Ziel im „Projekthaus NanoBioMater" der Uni Stuttgart ist die Entwicklung von Hydrogelen mit Tabakmosaikvirus-basierten Gerüst- und Funktionskomponenten. © Christina Wege, Uni Stuttgart

Auch im Bereich der Tumormedizin könnten Pflanzenviren gute Dienste leisten - Studien verschiedener Labors aus aller Welt verlaufen vielversprechend. „TMV-Konstrukte zeigen ebenso wie solche des Kartoffelvirus X eine Tendenz Tumorgewebe anzusteuern, wenn man sie über das Blut injiziert - was wir nun mit einem Partner in den USA genauer untersuchen wollen“, verrät Wege. Da liegt es nahe, neben den Kartoffelviren auch die Tabakviren zur Bildgebung in der Onkologie zu nutzen. Konstrukte mit Fluoreszenzmarkierung werden dafür bereits bei der Maus erprobt.

Noch ist es Zukunftsmusik, aber Wege könnte sich auch vorstellen, TMV-Konstrukte zu entwickeln, die mit Wirkstoffen bestückt gezielt Tumoren ansteuern. Gesundheitliche Schäden sind von den Pflanzenviren jedenfalls nicht zu erwarten. Allenfalls könne es bei hohen Konzentrationen zu allergischen Reaktionen kommen, meint Wege, beschreibt aber gleich die derzeit aussichtsreichste Präventiv-Methode. „Zwischen den funktionellen Kopplungsstellen lassen sich die Nanoröhrchen mit Polyethylenglycol beschichten. Dadurch wird der Zellkontakt zu Hüllproteinen minimiert.“

Die faszinierenden Nutzungsmöglichkeiten von Pflanzenviren bringt Wege auch in die Lehre ein, etwa im Master-Modul Pflanzenvirologie mit seinem dreiwöchigen Laborpraktikum. Ab dem Wintersemester 2014/2015 wird Wege außerdem eine Spezialvorlesung zum Thema „Nanobiotechnik mit Pflanzenviren“ anbieten und hier die neuesten Erkenntnisse aus der Forschung vermitteln. Für den Nachwuchs engagiert sie sich zudem als Fachstudienberaterin und als Koordinatorin für den Studiengang Technische Biologie. Ihr wichtigster Rat an die nächste Forschergeneration: „Macht das, was euch Spaß macht, dann werdet ihr es auch gut machen.“

Glossar

  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Onkologie ist die Wissenschaft, die sich mit Krebs befasst. Im engeren Sinne ist Onkologie der Zweig der Medizin, der sich der Prävention, Diagnostik, Therapie und Nachsorge von malignen Erkrankungen widmet.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Polyethylen (Abkürzung: PE) ist das Polymer des Ethylens. Es gehört zu den thermoplastischen Kunststoffen.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • Bioaktive Substanzen sind Stoffe in Lebensmitteln, die meist eine gesundheitsfördernde biologische Wirkung auf den menschlichen Körper haben, aber keine Nährstoffe bzw. Energie liefern. Sie haben häufig entzündungshemmende, antioxidative, immunmodulierende oder antikanzerogene Wirkung.
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