Mit niedriger elektrischer Spannung gegen Corona-Viren

Für das Corona-Virus ist das sogenannte Spike-Protein auf seiner Außenhülle essentiell, damit es eine Zelle befallen kann. Denn dieses Protein bindet spezifisch an einen Rezeptor namens ACE2 auf der Oberfläche menschlicher Zellen. Das Virus kann dann mit der Zellmembran verschmelzen, sein Erbgut ins Zellinnere entlassen und sich weiter vermehren. Deshalb ist das Spike-Protein Angriffspunkt für Therapien und Impfungen. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Martin Garcia der Universität Kassel hat einen neuen Ansatz für eine rein physikalische Methode entwickelt, um das Virus unschädlich zu machen. „Unsere Computersimulationen zeigen, dass das Spike-Protein sehr anfällig für elektrische Felder moderater Stärke ist, die mit Hilfe einer einfachen Batterie erzeugt werden können. Dabei ist es sogar mehr als tausend Mal empfindlicher als andere Proteine“, erläutert Prof. Garcia.

Die Theorie: Strukturveränderungen durch elektrische Impulse

Denn die Bindung zwischen dem Spike-Protein und dem ACE2-Rezeptor ist sehr spezifisch und abhängig von der detaillierten Struktur der beiden Proteine. Ein kleiner Teil des Spike-Proteins, die Rezeptor-Bindungs-Domäne, passt zum ACE-Rezeptor wie ein Schlüssel zum Schloss.  „Moderate bis schwache elektrische Impulse zwingen das Spike-Protein dazu, seine Struktur auf atomarer Ebene zu ändern, und das dauerhaft. Dann kann die Rezeptor-Bindungs-Domäne nicht mehr an den ACE2-Rezeptor der menschlichen Zelle andocken“, beschreibt Prof. Garcia. In Computersimulationen konnte diese Veränderung nicht nur für den Wildtyp des Virus vorhergesagt werden, sondern auch für ansteckendere Varianten wie Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351) und die Gamma-Variante P.1. „Überraschenderweise macht die Strukturänderung des Spike-Proteins durch die Mutation das Virus zwar ansteckender, aber gleichzeitig erhöht sich dadurch seine Verwundbarkeit durch elektrische Felder“, berichtet Prof. Garcia. Bereits elektrische Felder der Stärke 0.0001 Volt/Nanometer verursachen strukturelle Schäden am Protein. Andere Proteine, auch die von gesunden Zellen, werden dadurch nicht geschädigt, da sie erst auf viel höhere Feldstärken mit Strukturänderungen reagieren.

Von der Theorie in die Praxis

Die im Modell beschriebene Inaktivierung von Corona-Viren mithilfe von elektrischen Feldern könnte auch in der Praxis als rein physikalische Methode zur Inaktivierung der Viren Anwendung finden. So könnte sie in Zukunft zum Beispiel eine neue Klasse von Luftfilteranlagen ermöglichen. Hierfür kann die bestehende Infrastruktur der Luftfilteranlagen genutzt werden. Die sogenannten HEPA-Filter müssten lediglich durch eine mikrostrukturierte, an Niederspannung angeschlossene Anordnung von Elektroden ersetzt werden, die die Corona-Viren inaktivieren.  Die gefilterte Luft enthält dann nur noch unschädliche Viren und kann wieder in den Raum zugeführt werden. Vorteile gegenüber herkömmlichen HEPA-Filtern wären u.a. ein geringerer Energieverbrauch und eine viel längere Nutzungsdauer. Die Universität Kassel hat bereits ein Patent für eine technologische Anwendung ihrer theoretisch entwickelten Methode angemeldet.

Diese Arbeit der Arbeitsgruppe von Prof. Garcia mit Claudia R. Arbeitmann, Pablo Rojas und Pedro Ojeda-May wurde teilweise von der Universität Kassel durch das Projekt PhosMOrg finanziert.

Mehr Informationen:

Der Artikel The SARS-CoV-2 Spike Protein is vulnerable to moderate electric fields wurde im Journal Nature Communications veröffentlicht: https://www.nature.com/articles/s41467-021-25478-7

Kontakt:

Prof. Dr. Martin E. Garcia
Universität Kassel
Fachbereich 10 Mathematik und Naturwissenschaften
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E-Mail: garcia[at]physik.uni-kassel[dot]de

Pressekontakt:

Sebastian Mense
Universität Kassel
Kommunikation, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
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