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Restarting Science

Forschung in Zeiten von Corona

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am IRI Life Sciences haben ihre Forschung neu ausgerichtet, um das Coronavirus zu bekämpfen

Nach Wochen, in denen die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am Integrative Research Institute (IRI) for the Life Sciences keinen oder nur stark eingeschränkten Zugang zu den Laboren hatten, beginnen sie langsam wieder mit der Forschung im neuen "Normalzustand". Mit der Rückkehr an die Labortische und Computer haben sie auch ihre Arbeit teilweise neu ausgerichtet, um das neuartige Coronavirus SARS-CoV-2 zu erforschen. Auf dieser Seite informieren wir über die Aktivitäten am IRI Life Sciences im Zusammenhang mit der laufenden Pandemie.

Forschung an institutionellen Schnittstellen

Das IRI Life Sciences ist eine Einrichtung der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) in Kooperation mit der Charité - Universitätsmedizin Berlin und dem Berliner Institut für Medizinische Systembiologie (BIMSB) des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC). Wir betreiben innovative Spitzenforschung durch komplementäre Expertise, offenen wissenschaftlichen Austausch und Nutzung gemeinsamer Ressourcen über Einrichtungsgrenzen hinweg. Diese Arbeitsweise wird auch zur Erforschung des neuen Coronavirus und dessen Auswirkungen auf menschliche Zellen angewandt.

Identifizierung eines potenziellen Angriffspunktes für Medikamente gegen SARS-CoV-2-Infektionen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler etablieren ein In-vitro-Zellkulturmodell zur Untersuchung der SARS-CoV-2-Infektion und identifizieren das HSP90-Protein als ein mögliches Ziel für therapeutische Interventionen

Unter der Leitung von IRI-Sprecher Prof. Dr. Markus Landthaler, Professor für RNA-Biologie an der Humboldt-Universität und Forschungsgruppenleiter am Berliner Institut für Medizinische Systembiologie (BIMSB)/Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), untersuchten mehrere Arbeitsgruppen des MDC in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Christian Drosten (Leiter der Virologie an der Charité - Universitätsmedizin Berlin) das RNA-Profil in verschiedenen SARS-CoV-2-infizierten menschlichen Lungenzelllinien. Durch den Einsatz von Gesamtzell- und Einzelzell-Transkriptomik lieferte die Studie einen reichhaltigen Datensatz zur Analyse der Expressionsänderungen der Wirtszellen als Reaktion auf die Virusinfektion und ermöglichte es, die Heterogenität der Infektion in verschiedenen menschlichen Zelllinien zu charakterisieren.

Darüber hinaus identifizierte die Studie das Hitzeschock-Protein-90 (HSP90) als relevant für die Infektion, da die Hemmung von HSP90 zu einer Reduktion der viralen Replikation und der Expression entzündungsfördernder Zytokine führte. Beide Effekte, die Verringerung der viralen Replikation UND der entzündlichen Immunantwort, sind von klinischer Relevanz, da letztere bekanntlich an der Pathogenese des ARDS (Akutes Respiratorisches Distress-Syndrom) bei Lungeninfektionen beteiligt ist. Weitere Studien an primären Lungenzellen und Lungengeweben sind wichtig, um diese Erkenntnisse zu validieren und den Weg für eine therapeutische Intervention bei SARS-CoV-2-Infektionen zu ebnen.

Hinter den Kulissen

Das MDC ist führend in der Anwendung von Einzelzellanalyse-Ansätzen für unterschiedliche Forschungsfragen. Angesichts der globalen SARS-CoV-2-Pandemie bringen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am MDC ihr Fachwissen über Einzelzellanalyse-Methoden ein, um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die der Infektion mit SARS-CoV-2 zugrunde liegen. Da jedes Organ, auch die Lunge, aus einer Vielzahl von verschiedenen Zelltypen besteht, reagiert jeder Zelltyp anders auf Veränderungen der Umweltbedingungen, wie zum Beispiel eine Infektion. Die Einzelzellanalyse ermöglicht die Charakterisierung der heterogenen Reaktion jedes Zelltyps im Verlauf der Infektion, die auf der Ebene einer Gesamtzellanalyse verborgen bleiben kann.

Der Erstautor der neuen Studie, Dr. Emanuel Wyler, Senior Postdoc in der Gruppe von Markus Landthaler, erläutert die Vorteile von Einzelzellstudien gegenüber der Gesamtzell-Sequenzierungsanalyse für wissenschaftliche Erkenntnisse mit dem Bild eines Frucht-Smoothie: „Wenn ich zehn Obstsorten in einen Mixer gebe, kann ich ungefähr schmecken, was drin ist – zum Beispiel Brombeeren. Mit der Einzelzell-RNA-Sequenzierung erhalten wir keinen Smoothie, sondern einen Fruchtsalat. Ich kann die Brombeeren auf einen Blick sehen und genau sagen, wie viele es sind“.

Die Forschung an Viren für Emanuel Wyler nicht neu. Jahrelang untersuchte er die Herpes-simplex-Viren – die lästige Ursache für Fieberbläschen. In einer Studie, die im Oktober 2019 in Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Emanuel Wyler und Kollegen die Einzelzell-Sequenzierung verwendet, um die Infektion mit Herpes-simplex-Viren in menschlichen Hautzellen zu untersuchen (Wyler et al., Nat Commun 10, 4878). Zwei Jahre zuvor untersuchten sie die Manipulation der Wirtszelltranskription durch dasselbe Virus (Wyler et al., Genome Biol 18, 209).


„Wenn ich zehn Obstsorten in einen Mixer gebe, kann ich ungefähr schmecken, was drin ist – zum Beispiel Brombeeren. Mit der Einzelzell-RNA-Sequenzierung erhalten wir keinen Smoothie, sondern einen Fruchtsalat. Ich kann die Brombeeren auf einen Blick sehen und genau sagen, wie viele es sind.“
 

Antivirale Therapie- und Präventionskonzepte gegen SARS-CoV-2-Infektionen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen nach therapeutischen Hemmstoffen, die den Eintritt des Virus in die Wirtszelle blockieren

Der Biophysiker Prof. Dr. Andreas Herrmann, Professor für molekulare Biophysik am Institut für Biologie an der HU und Gründungssprecher des IRI Life Sciences (2013–2017), will multivalente Inhibitoren entwickeln, die die Bindung von SARS-CoV-2 an seinen zellulären Rezeptor verhindern. In einem gemeinsamen Projekt wollen Andreas Herrmann und Berliner Kolleginnen und Kollegen ein Medikament entwickeln, das die Bindung von Coronaviren an Wirtszellen im Rachen und den nachfolgenden Atemwegen und damit die Infektion verhindert. Die Idee: Der Inhibitor macht sich die dreiwertigen Rezeptoren auf der Oberfläche des Virus zunutze, die als S-Spikes-Protein bezeichnet werden. Im Falle einer Infektion haken sich Viren an den ACE2-Rezeptor auf der Oberfläche von Zellen des Lungengewebes an.

Im Rahmen des Projekts werden Nanopartikel entworfen, die mit mehreren Liganden bedeckt sind, welche den ACE2-Rezeptor nachahmen. Die Bindung dieser Nanopartikel an die viralen S-Spikes-Proteine verhindert deren Anheftung an die Wirtszelle und damit die Infektion. Das Projekt ist Teil des 'Corona Virus Pre-Exploration Project', das von der Berlin University Alliance (im Rahmen der Grand Challenge Initiative Global Health) gefördert wird. Beteiligt sind u.a. Prof. Dr. Christian Hackenberger (Professor für chemische Biologie an der HU und Forschungsgruppenleiter am Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie) und Dr. Daniel Lauster, Postdoc in der Gruppe von Prof. Dr. Rainer Haag (Co-Sprecher der Initiative) an der Freien Universität Berlin.

Hinter den Kulissen

Die derzeitigen antiviralen Medikamente sind nur teilweise wirksam, weil sie das Virus erst dann angreifen, wenn es die Wirtszellen bereits infiziert hat. Es wäre daher erstrebenswert und weitaus wirksamer, den Eintritt des Virus zu hemmen und dadurch die Virusvermehrung und Zellschädigung zu verhindern. Andreas Herrmann hat sich während seiner gesamten akademischen Laufbahn mit Virus-Wirt-Interaktionen, insbesondere mit den Mechanismen des Eindringen des Virus in die Wirtszelle, beschäftigt. Er ist Teil eines multidisziplinären Teams in Berlin, das diesen neuen Ansatz erst kürzlich erfolgreich für Influenzaviren gezeigt hat.

Unter der Leitung von Christian Hackenberger entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der Basis einer leeren und damit nicht infektiösen Hülle eines Phagenvirus ein chemisch modifiziertes Phagenkapsid, das die Influenzaviren so umhüllt, dass sie die Lungenzellen praktisch nicht mehr infizieren können (Lauster et al., Nat Nanotechnol. 2020 Mai;15(5):373-379). „Genau dieses Konzept möchten wir auf das Coronavirus übertragen“, sagt Andreas Herrmann, überzeugt von dem großen Potenzial strukturell anpassungsfähiger Nanopartikel als Virusbinder für neue Therapieoptionen.


„Genau dieses Konzept möchten wir auf das Coronavirus übertragen.”
 

Eine Fieberkarte für Deutschland

Durch die Auswertung gespendeter Fitnessdaten möchte Prof. Dr. Dirk Brockmann neue Corona-Hotspots aufspüren

Der Epidemiologie Prof. Dr. Dirk Brockmann ist IRI-Mitglied und Professor am Institut für Biologie an der HU. Er leitet zusätzlich die Forschungsgruppe Epidemiologische Modellierung von Infektionskrankheiten am Robert Koch Institut (RKI). Dirk Brockmann ist ein Spezialist auf dem Gebiet der Komplexitätsforschung und derzeit einer der gefragtesten Wissenschaftler in Deutschland, wenn es um die Verbreitung des neuen Coronavirus geht.

Er war maßgeblich an der Entwicklung der Corona-Datenspende-App des RKI beteiligt. Daten von Fitnesstrackern und Smart-Watches, so genannten Wearables, können Hinweise auf Symptome einer COVID-19-Infektion geben. Mit Hilfe der App können Bürgerinnen und Bürger diese Daten dem RKI zur Verfügung stellen. Die Algorithmen hinter der Corona-Datenspende erkennen Symptome, die mit einer Coronavirus-Infektion in Zusammenhang stehen. Dazu gehören zum Beispiel eine erhöhte Ruheherzfrequenz und veränderte Schlaf- und Aktivitätsmuster. Zusammen mit Daten aus anderen Quellen, z. B. den offiziellen Berichtsdaten, helfen die Wearables-Daten den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die Ausbreitung des Coronavirus besser zu verstehen.

Die neue Idee von Dirk Brockmann und seinem Team ist es, eine "Fieberkarte" für Deutschland zu erstellen. Nach sorgfältiger Aufbereitung werden die gespendeten Daten in eine Karte eingearbeitet, die die Verteilung der potentiell infizierten Personen bis auf die Ebene der Postleitzahl visuell darstellt. Dies sei dann „ein Hinweis darauf, dass es an bestimmten Orten einen neuen Hotspot geben könnte“, sagt Dirk Brockmann. Die Karte wird regelmäßig aktualisiert und auf der Website des RKI veröffentlicht werden.

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Hinter den Kulissen

Dirk Brockmann leistete auf dem Gebiet der computergestützten Epidemiologie Pionierarbeit mit der Entwicklung groß angelegter computergestützter Rahmensysteme für die Beschreibung und Vorhersage von Krankheitsdynamiken auf großen geographischen Skalen. Grundlage der epidemiologischen Modellierung ist die Auswertung von Daten über die Mobilität von Menschen und die Anzahl ihrer Kontakte. Nie zuvor sind Menschen mehr gereist, nie zuvor hatten sie mehr Kontakte und nie zuvor haben sie mehr von sich preisgegeben als in der heutigen digitalisierten Gesellschaft. Es ist auch klar, dass sie nie mehr Datenspuren hinterlassen haben. Modellierer wie Dirk Brockmann machen sich diese zunutze. Sie interessieren sich für Prozesse, die sich aus Transport- und Bewegungsmustern identifizieren lassen, wie zum Beispiel der internationale Flugverkehr mit täglich Millionen von Reisenden. Mit an Bord: Viren und Bakterien, die wiederum Gegenstand des Interesses von Epidemiologen sind.

Gleich zu Beginn der aktuellen Pandemie analysierten Dirk Brockmann und sein Team Mobilitätsdaten und simulierten die Ausbreitung des Coronavirus. Er war maßgeblich an der Entwicklung der Corona-Datenspende-App des RKI beteiligt. Die App hat sich mit mehr als einer halben Million Bürgerinnen und Bürger, die ihre Daten gespendet haben, rasch zu einer der größten Apps zur freiwilligen Datenerhebung entwickelt.

Ein weiterer reichhaltiger Datenpool sind die sozialen Netzwerke mit all ihren Posts, Tweets (Ich habe Corona) oder Hashtags (#Corona) und auch häufig bei Google verwendeten Schlüsselwörtern. Am wichtigsten sind jedoch individuelle Daten, d. h. Daten, die Smartphones und Fitnesstracker sammeln. Da diese sehr sensibel sind, ist es für die Wissenschaft besonders wichtig, dass diese Daten verschlüsselt und pseudonymisiert übertragen werden.

Mehr Informationen:
Corona-Datenspende-Blog
Covid-19 Mobility Project
Re: Schneller als das Virus - Der digitale Wettlauf gegen Corona (arte.tv)


Eine Karte, die die Verteilung potenziell infizierter Personen visuell darstellt, ist „ein Hinweis darauf, dass es an bestimmten Orten einen neuen Hotspot geben könnte“.
 

Ausbildung der nächsten Generation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern

Mitglieder des IRI Life Siences richteten virtuelles Seminar zur SARS-CoV-2-Reihe für Master-Studierende an der Humboldt-Universität ein

Die durch das neue Coronavirus ausgelöste globale Pandemie lenkt überall die Aufmerksamkeit auf die Wissenschaft. Täglich neue Erkenntnisse über das neue Coronavirus – seine Biologie, die Auswirkungen der Infektion und die Suche nach einer Therapie sowie einem Impfstoff – sind nicht nur in der wissenschaftlichen Literatur nachzulesen. Das rasch wachsende Wissen über die Ausbreitung von SARS-CoV-2 und das Krankheitsspektrum von COVID-19 zu verfolgen und auszuwerten, stellt bereits eine Herausforderung für etablierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der verschiedenen Forschungsbereiche dar.

Ein neuer Masterstudiengang, der von IRI-Mitgliedern des Instituts für Biologie an der HU angeboten wird, nimmt diese seltene Gelegenheit wahr, die nächste Generation junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den molekularen Lebenswissenschaften "am täglichen Erlebten" zu unterrichten. Neben der Einführung in den wissenschaftlichen Hintergrund, z. B. der Virologie, der angeborenen Immunreaktionen auf Virusinfektionen, der Epidemiologie und der Impfstoffentwicklung soll der Kurs den Studierenden beibringen, neue Erkenntnisse über das Coronavirus wissenschaftlich zu bewerten und in einen Kontext zu stellen.

SARS-Cov-2 pandemic: Pathophysiology, epidemiology and cell biology
(MSc 'SARS-CoV-2' - Online-Kurs (Sommersemester 2020) - Vorlesungen, Literaturübersicht & 1-tägiges Symposium)
Ursprünglich wollten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer am Ende des Sommersemesters 2020 in einem Symposium über ihre Studienarbeiten diskutieren. Doch coronabedingte Restriktionen an der Humboldt-Universität durchkreuzten die Pläne für eine Präsenzveranstaltung in einem Raum mit allen Teilnehmenden. Die Organisatorinnen und Organisatoren machten aus der Not eine Tugend und luden die Teilnehmenden stattdessen zu einer freiwilligen, privaten Veranstaltung unter freiem Himmel ein. „Ich war beeindruckt vom Enthusiasmus und der wissenschaftlichen Eigenständigkeit der Studierenden, die sie bei der Anfertigung der Literaturarbeit zu einem sich so rapide veränderndem Thema demonstrierten“, befand Juliane Lippmann, eine der Organisatorinnen des Kurses.

Hinter den Kulissen

Der Kurs ist ein Angebot an HU-Studierende in den molekularen Lebenswissenschaften als Antwort auf die sich rasch erweiternde Wissensbasis zur SARS-CoV-2-Pandemie. Insgesamt lobten die Teilnehmenden

  • wie schnell und doch gut der Kurs zusammengesetzt wurde,
  • wie sehr sie von der interdisziplinären Auswahl der im Modul behandelten Themen profitierten und
  • die wissenschaftliche Expertise der Organisatorinnen und Organisatoren des Moduls


Mehr Informationen
Der Kurs wird im Wintersemester 2020/21 fortgesetzt. Er wird auch interaktiver sein, z. B. wird ein regelmäßiger Journal Club stattfinden, in dem seminarbezogene wissenschaftliche Arbeiten diskutiert werden. Interessierte finden den Kurs auf der Moodle-Plattform der Humboldt-Universität oder schreiben an juliane.lippmann(at)hu-berlin.de für weitere Informationen.


„Ich war beeindruckt vom Enthusiasmus und der wissenschaftlichen Eigenständigkeit der Studierenden, die sie bei der Anfertigung der Literaturarbeit zu einem sich so rapide veränderndem Thema demonstrierten.”

Akademischer Austausch in Zeiten von Corona

Netzwerke werden gestärkt durch Aktivitäten wie die Teilnahme an Zeitschriftenclubs, Seminarreihen und Retreats gestärkt

IRTG 2290: Crossing Boundaries: Molecular Interaction in Malaria
Mitgliedsprogramm der Graduiertenschule am IRI Life Sciences. Die Berlin-Canberra-Allianz befasst sich mit grundlegenden Fragen der Malaria. Molekulare Erkenntnisse über Plasmodium-Infektionen können neue evidenzbasierte Strategien zur Entwicklung kurativer und prophylaktischer Medikamente sowie Immunisierungsstrategien hervorbringen, die einen dauerhaften Schutz vor der Krankheit bewirken.
www.allianceberlincanberra.org

IRTG 2403: Dissecting and Reengineering the Regulatory Genome
Einrichtungen und der Herzoglichen Universität will das internationale Graduiertenkolleg den wissenschaftlichen Nachwuchs im quantitativen Verständnis von Genomfunktion und Genregulation im Kontext biologischer Systeme ausbilden.
www.regulatory-genome.org

RTG 2424: Computational Methods in Oncolocy – Towards Personalized Medicine in Cancer Research
Im Rahmen dieses Forschungsprogramms entwickelt eine neue Generation von Forscherinnen und Forschern computergestützte Werkzeuge für den Einsatz in der Krebsforschung entwickeln. Bis vor einigen Jahren basierte die Analyse von Tumorproben noch auf sichtbaren Gewebemerkmalen. Heute ermöglichen modernste Technologien den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, ein detailliertes molekulares Profil eines bestimmten Krebses zu erhalten. Diese Technologien erzeugen riesige Datenmengen. Das Zusammentragen und Interpretieren dieser komplexen Datensätze stellt eine grosse Herausforderung dar - eine Herausforderung, die innovative, computergestützte Technologien und mathematische Modelle erfordert.
www.comp-cancer.de

Wie die Forschungsaktivitäten auf dem HU Campus Nord wieder Fahrt aufnehmen

Humboldt-Universität arbeitet noch im "eingeschränkten Betrieb"

Alle Gebäude sind für die Öffentlichkeit geschlossen, Lehrveranstaltungen werden weiterhin online abgehalten, und Anwesenheitsprüfungen sind nur unter Einhaltung der Entfernungs- und Hygienevorschriften möglich. Und was passiert mit der Forschung an der Humboldt-Universität? Am 18. Juni 2020 haben wir darüber gesprochen, wie die Forschung langsam aus dem pandemiebedingten Stillstand zurückkehrt.

„Derzeit sind wir wieder bei 50 Prozent“, sagte Dr. Benedikt Beckmann, Gruppenleiter für molekulare Infektionsbiologie am IRI Life Sciences auf dem HU Campus Nord. Was er während der Corona-Zeit nicht erwartet hatte: Die Zusammenarbeit in einem wissenschaftlichen Umfeld, in dem es üblicherweise viel Konkurrenz gibt, ist erstaunlich intensiv geworden. „Ich habe die Hoffnung, dass das so bleibt, dass es sich durchsetzen könnte“, sagte Benedikt Beckmann.

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ART MEETS SCIENCE

Labore des IRI Life Sciences aus der Perspektive von Künstlerinnen und Künstlern bei "48h Neukölln"

Während der Lockdown-Phase haben wir unsere leeren Labore für die Fotografen Wiebke Kahn und Andreas Maria Kahn geöffnet. Die 3D-Ausstellung "Corona Laboratories" (kuratiert von Fabian Kruse) zeigte auf dem Kunstfestival "48h Neukölln" vom 19. bis 21. Juni 2020 eine Reihe von Fotografien, die in verschiedenen Laboren in unserem Forschungsgebäude auf dem HU Campus Nord aufgenommen wurden. Im Dialog mit den Forscherinnen und Forschern integrierten die künstlerischen Konzepte Raumarchitektur, Versuchsanordnungen und Alltagsgegenstände.