Wie jedes Virus, verändert sich auch SARS-CoV-2 unaufhörlich. Unterschiedlichste Mutationen sind die Folge, auf welche Impfstoffhersteller bislang nur rückwirkend reagieren konnten. Grazer ForscherInnen des Bioinformatik-Unternehmens Innophore, des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) und der Universität Graz ist es nun gelungen, die Relevanz existierender, aber auch hypothetischer, zukünftiger Corona-Varianten zu studieren und vorherzusagen.
Mittelfristiges Ziel der ForscherInnen ist, gemeinsam mit den Impfstoffherstellern frühzeitig die Kontrolle über Epidemien zu erlangen. „Der Brand ist erst gelöscht, wenn wir alle Glutnester entdeckt haben“, vergleicht Christian Gruber, Wissenschafter am Institut für Molekulare Biowissenschaften und CEO von Innophore.
Erfolgreicher Schulterschluss
Seit Jänner 2020 forschen Innophore, das Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) und das Institut für Molekulare Biowissenschaften der Universität Graz gemeinsam an den entstehenden SARS-CoV-2-Mutationen und schätzen deren Relevanz und Gefahr mit modernen, Artificial Intelligence (AI)-basierten Screening-Methoden ein. „Dazu haben wir anfangs den strukturellen Aufbau des Virus erforscht, um zu verstehen, wie und an welcher Stelle es sich verändert bzw. auch um vorherzusagen, wie es sich in Zukunft verändern könnte. Zur selben Zeit haben wir in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern begonnen, kontinuierlich globale Sequenzdaten zu analysieren. Das war schon zu Beginn bei unseren Arbeiten mit dem Chinese Center for Desease Control and Prevention und später mit der Harvard Medical School und Google relevant und musste zum Teil bei Wirkstoffsuchen berücksichtigt werden“, sagt Gruber.
Mutationen durch Computermodellierung prognostizieren
Um abschätzen zu können, wie sich diese und zukünftig auftretende Mutationen ausbreiten werden, setzen die ForscherInnen Computermodelle und Künstliche Intelligenz ein. „Basierend auf den global nun vermehrt durchgeführten Sequenzierungen können wir durch AI und Modellierungsmethoden virtuell verschiedene Szenarien berechnen. Indem wir unsere Daten mit klinischen und im Labor durchgeführten Beobachtungen abgleichen, können wir so die Vorhersagemodelle zusätzlich verbessern. Mit anderen Worten versetzen wir uns in die Lage des Virus: Wie reagiert es, welche Mutationen kann es ausbilden? Dadurch können die Veränderungen und die Relevanz existierender, aber auch hypothetischer Corona-Varianten prognostiziert und auf atomarer Ebene studiert werden“, sagt Gruber. Mithilfe der Modelle können die Forscher in Supercomputerexperimenten die Gefährlichkeit von Virusmutationen einschätzen, noch bevor sich das Virus verändert hat. Gruber: „Damit werden wir dem Virus einen Schritt voraus sein.“
„Virale Wettervorhersage“
Die Erkenntnisse der Grazer ForscherInnen können nicht nur entscheidend zur Entwicklung der aktuellen Coronapandemie beitragen, sondern bieten auch Hoffnung in der Bekämpfung zukünftiger Pandemien: „Ähnlich wie bei einer Wettervorhersage schätzen wir anhand bestehender Modellierungsdaten ein, wie die Situation morgen oder übermorgen sein könnte. Auch die Virusforschung prognostiziert etwa bei der Entwicklung von Grippeimpfstoffen, welche Influenzastämme sich epidemisch ausbreiten werden und stellt anhand der vorliegenden Daten entsprechende Impfstoffe her, die gegen diese Varianten wirken.
„Zwar ist die Situation bei SARS-CoV-2 eine andere, jedoch besitzen wir aus bioinformatischer Sicht weit mehr Daten zu SARS-CoV-2 als zur Grippe“, gibt Gruber Einblick und Ausblick zugleich: „Damit haben wir in Zukunft höhere Chancen und umfassendere Möglichkeiten, das ‚Viruswetter‘ vorherzusagen, um früher darauf reagieren zu können.“
Mittelfristiges Ziel der ForscherInnen ist es, gemeinsam mit den großen Impfstoffherstellern frühzeitiger die Kontrolle über Epidemien zu erlangen – von der Prognose über die Prävention bis hin zu einem präemptiven Reaktionssystem. Gruber: „Die enge Zusammenarbeit von Grundlagenforschung und Industrie hat uns in weniger als einem Jahr zu Lösungen geführt, die eine aktive Epidemiebekämpfung ermöglichen.“ Jetzt ist es nötig, diese Kooperationen zu institutionalisieren und auf Dauer auszulegen, um global gegen Viruserkrankungen vorbereitet zu sein.
Die Wirkung von Impfstoffen verstärken
Wie bedeutsam diese Arbeit ist, zeigt eine eben in Scientific Reports, einem renommierten Magazin der Nature-Gruppe, erschienene Studie der Grazer ForscherInnen. Darin werden momentan noch weniger verbreitete, strukturell auffällige Mutationen – an der Stelle Serin 477 – beschrieben, die stärker an menschliche Zellrezeptoren binden und dadurch hoch relevant werden könnten. „Die erstmals in Wien aufgetretene Variante S477G findet man nun in acht Ländern. Mit der S477N-Virusmutation haben sich, aktuellen Zahlen zufolge, über 27.000 Menschen weltweit infiziert“, zitiert Gruber aus dem aktuellen Paper.
Die von Innophore entwickelten Methoden erlauben es Impfstoffherstellern, existierende Vakzine schneller zu optimieren, damit diese auch gegen aktuelle Virusmutationen wie S477N oder S477G wirksam sind. BioNTech ist in einer aktuellen Veröffentlichung bereits auf die Arbeit der Grazer ForscherInnen aufmerksam geworden und hat die Daten zu S477N und S477G bestätigt sowie auf die stärkere Bindung der Varianten an menschliche Zellen hingewiesen. Dies ist eine wichtige Grundlage, um für Vakzine entsprechende Anpassungen zu konzipieren. „Solche Ergebnisse stellen insofern eine Riesenchance für alle Impfstoffhersteller dar, da diese Modelle dazu beitragen, dass die Industrie Impfstofflinien vorbereiten und entwickeln kann, die auch noch unbekannte und womöglich gefährlichere Mutationen abfedern können“, sagt Gruber und erklärt, warum Zukunftsprognosen gerade in der Impfstoffentwicklung wichtig sind: „Anders als ein Medikament, mit der eine bereits bestehende Erkrankung behandelt wird, wirken Impfstoffe präventiv, also noch bevor es zu einer Erkrankung kommt. Ab dem Zeitpunkt der Impfung können keine Anpassungen mehr durchgeführt werden. Deshalb sind Vorhersagen möglicher Virusvarianten bei der Herstellung von Impfstoffen wichtig.“
Wissenschaftliche Publikation: „Serine 477 plays a crucial role in the interaction of the SARS-CoV-2 spike protein with the human receptor ACE2” in Scientific Reports: www.nature.com/articles/s41598-021-83761-5
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