Viren in der Natur: Ansteckend, zerstörerisch und dennoch nützlich

Viren sind während der Corona-Pandemie für die meisten Menschen wohl vor allem gefährliche Krankheitserreger. Doch die winzigen infektiösen Partikel spielen eine wichtige Rolle in ganz unterschiedlichen Ökosystemen und regulieren globale Kreisläufe. Im Interview erläutern die Bioinformatikerin Prof. Dr. Manja Marz und der Chemiker Prof. Dr. Georg Pohnert, welche Funktionen Viren in der Natur übernehmen.

Wo kommen Viren in der Natur überall vor?

Marz: Viren befinden sich überall da, wo es auch Lebewesen gibt, schließlich brauchen Viren Wirtsorganismen, um sich vermehren zu können. Das heißt, wir finden Viren zum Beispiel in uns selbst, etwa in unserem Darm. Viren kommen in der Luft vor, in Gewässern, aber auch auf unserer Tastatur und in unserem Bett.

Gibt es verlässliche Zahlen oder Schätzungen, wie viele Arten von Viren es gibt?

Marz: Man kennt ca. 3.500 Virusarten, wobei man sagen muss, dass es sich bei Viren im biologischen Sinne eigentlich gar nicht um „Arten“ handelt. Denn Viren sind selbst gar keine Lebewesen. Sie bestehen lediglich aus verpacktem Erbgut: aus DNA oder RNA. Um sich zu vermehren, müssen sie in Zellen eines Wirtsorganismus eindringen und dessen Zellmaschinerie kapern (siehe Infobox 1). Die bekannten Viren machen aber nicht einmal ein Prozent aller Virusarten aus. Der Mensch hat bis zu zehnmal so viele Bakterien in seinem Körper wie eigene Zellen — und noch einmal das Zehnfache an Viren.

Mit welchen Viren befassen Sie sich in Ihrer wissenschaftlichen Arbeit?

Marz: Wir haben 2017 das Europäische Virus Bioinformatik Zentrum gegründet, welches seither seinen Sitz hier an der Universität Jena hat (siehe Infobox 2). Das Zentrum befasst sich mit Bakteriophagen, also Viren, die sich in Bakterien vermehren, aber auch mit anderen DNA- und RNA-Viren. Unsere Arbeitsgruppe erforscht hauptsächlich RNA-Viren, wozu auch SARS, MERS und andere Coronaviren gehören, aber auch Zika-, Dengue- und Gelbfieberviren sowie Hepatitis-C-Viren, Influenza- und Ebolaviren.

Pohnert: Wir beschäftigen uns mit Viren in den Ozeanen, die einzellige Algen wie die Kalkalge Emiliania huxleyi befallen. Mikroalgen im offenen Wasser bilden die Grundlage des marinen Nahrungsnetzes und sind für fast die Hälfte der globalen Photosynthese verantwortlich. Sie binden dabei Kohlendioxid und setzen Sauerstoff frei. Unser Weltklima und auch unsere Ernährung hängen also von diesen Algen ab. Spezialisierte Viren wie das Emiliania huxleyi Virus 86 können diese Algen befallen und sie zerstören (siehe Infobox 3). Unsere Arbeiten beschäftigen sich mit den Mechanismen dieser Virusinfektion und mit der Suche nach Resistenzmechanismen.

Was passiert, wenn Viren im Ozean Algen befallen?

Pohnert: Wenn Viren Algen infizieren, dringen sie in die Zellen ein und programmieren deren Stoffwechsel komplett um. Die Algen produzieren dann Bausteine für die Virenhüllen – dazu werden einzelne biochemische Stoffwechselwege angeschaltet, die sonst in den Algen nur auf Sparflamme laufen. Wenn sich dann in den Algenzellen genug Viren gebildet haben wird Lyse induziert, die Algen platzen auf und eine geballte Ladung fertiger Viren wird ins Wasser entlassen. Diese können dann erneut Algen infizieren und so können ganze Populationen ausgelöscht werden.


Das klingt nach einer ziemlich einseitigen Lebensgemeinschaft.

Pohnert: Natürlich werden die einzelnen Algenzellen durch den Virenbefall getötet. Aber dadurch erfüllen die Viren eine wichtige Funktion im Ökosystem. Man muss sehen, dass im Ozean eine komplexe Gemeinschaft an Mikroorganismen koexistiert und diese verändert sich ständig. Wenn die spezialisierten Viren eine Algenart im Ökosystem reduzieren, machen sie Platz für die Vermehrung der nächsten Algen. Viren töten auch nicht alle Individuen einer Art, es gibt immer resistente Zellen, die sich dann später im Jahr oder auch in der nächsten Saison wieder vermehren. Viren sind hier Regulatoren, die dafür sorgen, dass eine gesunde Mischung von Arten vorhanden ist.


Viren kommen auch im Grundwasser vor, müssen wir uns darüber Sorgen machen?

Marz: Nein, ich denke nicht. Nur ein geringer Bruchteil von Viren ist für uns Menschen krankheitserregend. Die meisten Viren — man schätzt über 99 Prozent — sind nicht bösartig und sogar notwendig, z. B. für Ökosysteme im Meer, wie wir gerade gehört haben. Es wird vermutet, dass Viren nicht nur einzellige Algen sondern auch im Wasser lebende Bakterien regulieren, etwa im Grundwasser. Genau kennt man die Zusammensetzung des viralen Anteils im Grundwasser noch nicht, aber schon jetzt steht fest: Ohne Viren im Grundwasser würde auch die bakterielle Zusammensetzung eine ganz andere sein.


Virusinfektionen sind also ein verbreiteter Weg in der Natur, das Wachstum von Mikroorganismen zu regulieren?

Pohnert: Ja und nicht nur von Mikroalgen. Es gibt zahlreiche Bakteriophagen, das sind Viren, die Bakterien befallen, die eine regulierende Wirkung auf mikrobielle Gemeinschaften haben. Viren kommen aber auch bei allen höheren Organismen vor. Zum Beispiel werden zahlreiche Pflanzen von Viren befallen, wie dem Tabak-Mosaik-Virus. Dieses Virus sorgt dafür, dass sich die Blätter verfärben und die Ernte schlecht ausfällt. Auch Nutztiere sind von Viren betroffen. Hier wird engmaschig überwacht, um Ausbrüche in Schach zu halten.

Marz: Viren spielen beispielsweise auch eine sehr große Rolle in der menschlichen Darmflora. Forscher des Jenaer Universitätsklinikums untersuchen die Ursachen gastroenterologischer Erkrankungen und welche Funktion Viren dabei erfüllen. In der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Andreas Stallmach werden dazu Stuhltransplantationen vorgenommen. In Zusammenarbeit mit seiner Gruppe versuchen wir die Bedeutung der Viren im Stuhl besser zu verstehen.


Gibt es Erkenntnisse aus Ihrer Forschung über Viren, die sich auf die aktuelle Corona-Pandemie übertragen lassen?

Marz: Ähnlich wie andere respiratorische Viren (z. B. Influenza) werden Coronaviren in kleinen Flüssigkeitströpfchen über die Luft übertragen. Je feuchter die Jahreszeit ist, umso länger bleiben die Viren im Umlauf, bevor sie sich nicht mehr replizieren können. Wenn es in der kommenden Zeit also trockener und wärmer wird, könnte das für die Viren eher ungünstig sein. Wir versuchen gerade in einem gemeinsamen Projekt mit Virologen des Universitätsklinikums die Halbwertszeit von RNA-Viren in Flüssigkeiten zu bestimmen.


Infobox 1

Viren — Unbelebte Überlebenskünstler

Obwohl selbst gar keine Lebewesen, sind Viren wahre „Überlebens“künstler: Sie existieren bereits seit Millionen von Jahren. Einige der gefährlichsten menschlichen Krankheiten werden von Viren verursacht, wie AIDS, Pocken, Ebola oder COVID-19.
Die nur wenige hundert Nanometer kleinen Partikel bestehen lediglich aus Erbmaterial — DNA oder RNA — das von einer Eiweißhülle umgeben ist. Organellen wie Mitochondrien oder Ribosomen besitzen sie nicht, weshalb Viren keinen eigenen Stoffwechsel betreiben und sich auch nicht selbstständig vermehren können. Dafür brauchen sie Zellen von Wirtsorganismen. Gerade, dass sie so klein und simpel sind, macht sie so gefährlich. Da Viren nicht leben, lassen sie sich auch nicht so leicht „abtöten“.
Um sich zu verbreiten, schleusen Viren ihr Erbgut in Wirtszellen ein und lassen es von diesen vervielfältigen, wobei auch neue Eiweißbausteine für neue Viren produziert werden. Ist eine bestimmte Virenkonzentration in der Wirtszelle erreicht, löst sich diese auf und setzt eine neue Virengeneration frei. Andere Viren integrieren ihr eigenes Erbgut direkt in das Erbgut der Wirtszelle und werden so bei jeder Zellteilung mit kopiert. So können sie quasi als blinde Passagiere zeitlebens in Wirtsorganismen über-„leben“.

  • Fun Fact: Etwa acht Prozent des menschlichen Erbguts stammt ursprünglich aus Viren, das sich im Laufe der Evolution in unser Genom fest integriert hat.
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines SARS-Coronavirus-2. Maßstab: 100 nm. Abbildung: Tobias Hoffmann, Michael Laue/RKI
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines SARS-Coronavirus-2. Maßstab: 100 nm.
Abbildung: Tobias Hoffmann, Michael Laue/RKI


Infobox 2

Das Europäische Virus Bioinformatik Zentrum

Das Europäische Virus Bioinformatik Zentrum besteht seit 2017 an der Universität Jena und wird von Prof. Dr. Manja Marz geleitet. Forschende aus Bioinformatik und Virologie analysieren Genomsequenzdaten, um neue Ansätze für Therapien gegen Viruserkrankungen zu finden, die Entwicklung von Impfstoffen zu beschleunigen und zuverlässige Vorhersagen über das potenzielle Risiko von Viren treffen zu können.
Derzeit konzentrieren sich die Arbeiten im EVBC besonders auf das neuartige Coronavirus SARS-CoV-2. Während die Experten für Coronaviren, wie der Virologe Prof. Dr. Christian Drosten von der Charité, versuchen, die Infektionsprozesse zu verstehen, um schnellstmöglich Therapiemöglichkeiten und Impfstoffe zur Verfügung stellen zu können, entwickeln die Bioinformatiker spezielle Analysesoftware für Coronaviren, etwa um die Veränderungen des Virus im Laufe der Pandemie zu verfolgen oder die Interaktion zwischen Virus und Mensch besser zu verstehen.

Das Genom von RNA-Viren (zu denen auch die Coronaviren zählen) zu entschlüsseln, wird durch jüngste Fortschritte in der Biotechnologie immer einfacher. Dank der neuartigen Nanoporen-Sequenzierung (Oxford Nanopore) sind die notwenigen Arbeitsschritte schneller und einfacher, so dass die Sequenzierung auch außerhalb eines Labors erfolgen kann. Die Geräte sind in etwa so groß wie ein USB-Stick und können direkt mit dem Computer verbunden werden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Marz hat gezeigt, dass Dank dieser Technologie komplette Virengenome direkt am Stück entschlüsselt werden können. Foto: Lisa-Marie Barf
Das Genom von RNA-Viren (zu denen auch die Coronaviren zählen) zu entschlüsseln, wird durch jüngste Fortschritte in der Biotechnologie immer einfacher. Dank der neuartigen Nanoporen-Sequenzierung (Oxford Nanopore) sind die notwenigen Arbeitsschritte schneller und einfacher, so dass die Sequenzierung auch außerhalb eines Labors erfolgen kann. Die Geräte sind in etwa so groß wie ein USB-Stick und können direkt mit dem Computer verbunden werden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Marz hat gezeigt, dass dank dieser Technologie komplette Virengenome direkt am Stück entschlüsselt werden können.
Foto: Lisa-Marie Barf


Infobox 3

Was haben Viren mit den Kreideklippen von Dover zu tun?

Einzellige Kalkalgen kommen in den Ozeanen in großen Mengen vor. Während der sogenannten Algenblüten ist ihr massenhaftes Vorkommen sogar vom Weltall aus zu erkennen, wie man auf dem Bild unten sehen kann, das das Meer zwischen England und Frankreich zeigt. Wenn solch eine Algenblüte von Viren befallen wird, sterben die Algen binnen kurzer Zeit ab und sinken zum Meeresboden. Das biologische Material wird abgebaut — aber die Kalkschalen der Algen bleiben erhalten und bilden das charakteristische weiße Sediment, aus denen die Kreideklippen von Dover oder auch Rügen bestehen.

Satellitenbild einer Algenblüte vor der Bretagne. Foto: NASA
Satellitenbild einer Algenblüte vor der Bretagne.
Bildquelle: NASA