Viren – nicht nur zum Fürchten

Es wird in diesen Tagen so viel über Viren gesprochen – und fast durchweg nicht Gutes. Sie werden berechtigterweise mit schweren Krankheiten und Epidemien in Verbindung gebracht. Aber die Wenigsten wissen etwas Genaueres über sie.

Viren sind meist kleiner als Zellen. Ihre Größe reicht von 10 bis mehr als 400 Nano-metern Länge (1 Nanometer = 1 Millionstel Meter). Sie bestehen im einfachsten Fall aus einer Proteinhülle , die einen einfachen Strang aus DNA oder RNA als Erbgut enthält. Die wichtigste Gemeinsamkeit in der immens großen Zahl unterschiedlicher Virengruppen ist, dass alle eine Wirtszelle brauchen, um sich zu vervielfältigen. Alle Viren sind also zwangsläufig Parasiten – von Bakterien, Archaeen und Organismen mit Zellkern wie Amöben und Vielzellern.

Bei der Frage, ob Viren leben oder doch nur Kristalle mit besonderen Eigenschaften sind, scheiden sich die Geister. Wenn sie isoliert existieren, scheinen sie jedenfalls nicht lebendig zu sein. Sie haben keinen Stoffwechsel und brauchen zu ihrer Vermehrung die genetischen Programme ihres Wirtes. Daher wurde im Jahr 2000 vom „International Committee on Taxonomy of Viruses“ offiziell beschlossen, Viren nicht zu den Lebewesen zu zählen.

Andererseits fällt es aber auch schwer, sie als tote Materie anzusehen. Für Professor Bernd Olaf Küppers vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen reicht es, dass Viren innerhalb ihrer Wirtszellen einen Stoffwechsel haben, sich vermehren und durch Mutationen an neue Umwelten anpassen können. Seine knappe Formel lautet: Leben ist Materie plus Information.

Für zwei Szenarien zu ihrer Entstehung gibt es gute Argumente:

1. Sie sind präzellulär, d. h. älter als die ersten Zellen. Eine effektive Vermehrung und erfolgreiche Evolution war ihnen aber erst möglich, als bereits Zellen existierten, die ihnen als Wirtssysteme bei ihrer Vermehrung dienten.

2. Sie haben sich aus Bakterien oder Archaeen entwickelt, nachdem diese die Erde schon in Besitz genommen hatten. Parasitisch lebende Vertreter dieser Arten haben dann mit der Zeit alle nicht unbedingt zum Überleben notwendigen Bestandteile verloren. Vielleicht haben sich auch Teile von Zellen selbständig gemacht, beispielsweise einzelne Zellorganellen.

Viren sind heute allgegenwärtig. Man schätzt, dass ihre Gesamtzahl die Zahl der auf der Erde vorhandenen Zellen um das 10- bis 100fache übertrifft. Aber derzeit sind erst 0,0002% der weltweit existierenden Virengenome bekannt. Auch wir selbst und unser Inneres sind von Viren übersät. Sie parasitieren unsere Zellen – z. B. die Papillomviren unserer Schleimhäute.

Wird die genetische Botschaft der in den Organismus eingedrungenen Viren nicht abgefangen, so bemächtigen sich diese der Proteinsynthesemaschinerie der Zelle und zwingen sie, virale Proteine herzustellen und die Viren zu vermehren. Erst Mitte des 19. Jahrhunderts erkannten Forscher in ihnen Verursacher ansteckender Krankheiten. (Die Bezeichnung „Virus“ – von lateinisch „virus“ = Schleim, Gift, Geifer – galt dann zunächst als Sammelbezeichnung für alle Krankheitserreger kleiner als Bakterien.) Sie entscheiden oft über Leben und Tod, wie man derzeit wieder besonders schmerzvoll erfahren muss. Im letzten Jahrhundert forderten sie mehr Todesopfer als alle Kriege zusammen.

Unser Immunsystem steht in einem fortwährenden Kampf mit den viralen Eindring-lingen. Gesunde Organismen verfügen aber über ein Arsenal von Abwehrwaffen gegen sie. Andererseits entwickelten und entwickeln die Viren immer wieder zahlreiche Mechanismen, mit denen sie der Vernichtung durch die Immunabwehr entgehen. Es gibt praktisch keine bekannte Komponente des menschlichen Immunsystems, die nicht von irgendeinem Virus manipuliert wurde.

Dieser entwicklungsgeschichtliche Rüstungswettlauf hinterließ seine Spuren auch in der menschlichen DNA. Überall verstreut finden sich Tausende Kopien viraler Sequenzen, von denen viele von Viren stammen, die vor Jahrmillionen in Säugetieren Krankheiten erzeugten, von ihren Wirten aber im Laufe der Zeit unschädlich gemacht wurden. Die meisten sind also schon lange nicht mehr in der Lage, eigenständige infektiöse Partikel zu erzeugen. Sie überdauern als harmlose Untermieter im Wirtsorganismus. Gelegentlich konnte sich sogar ein innovatives, nützliches Virus-Gen in das Erbgut einnisten und zu einem permanenten und unverzichtbaren Bestandteil werden.

Viele der viralen Kopien wirken aber offenbar bei bestimmten Karzinomen oder Leukämie mit, andere bei ALS (amyotropher Lateralsklerose), multipler Sklerose, Schizophrenie oder Diabetes. Dabei ist allerdings unklar, ob sie die Ursache der Krankheit sind oder ob ihre Aktivität eine Begleiterscheinung ist.

Wenn Viren ihr Genom exprimieren und vervielfältigen, verändern sich durch Austausch und Rekombination oftmals Teile davon. Dies geschieht vermutlich schon seit drei Milliarden Jahren. Dadurch „erfinden“ Viren ständig neue Gene. Bei ihrer gewaltigen Zahl (geschätzt etwa 10 hoch 31 auf der Erde) und ihrer schnellen Replikationsrate (pro Sekunde etwa 10 hoch 24 neue Partikel) und hohen Mutationsrate gelten sie als die bedeutendste Quelle genetischer Information.

Erst in den letzten Jahren ist deutlich geworden, in welchem Ausmaß Mechanismen wie Gentransport und Gentransfer durch Viren, also Einbau von viralen Genen in das Genom des Wirtsorganismus, zur Veränderung bakterieller Genome beigetragen hat – auch zum Vorteil für den Wirt. (Wird beispielsweise bei Zyanobakterien ein bestimmtes zentrales Fotosynthese-Gen durch zu starke Sonneneinstrahlung geschädigt und nicht mehr hinreichend nachproduziert, kommt der Stoffwechsel der Zelle zum Erliegen. 2003 entdeckten Forscher im genetischen Gepäck von Viren, die Zyanobakterien befallen, eine eigene, wesentlich UV-resistentere Version des Enzyms. Das virale Fotosynthese-Enzym kann die Funktion des zerstörten Wirtsenzyms übernehmen.)

Durch Rekombination und Gentransfer veränderten die Viren mit der Zeit auch das Erbgut mehrzelliger Lebewesen massiv. Sie sorgten, wie auch Bakterien, immer wieder dafür, dass genetisches Material zwischen den Arten ausgetauscht wurde und sich so über Speziesgrenzen hinaus verbreiten konnte. Dadurch nahmen Viren maßgeblichen Einfluss auf deren Evolution, ja sie haben offenbar den Evolutionsprozess schneller vorantreiben können als andere Faktoren, die lediglich unter langsamer sich anhäufenden Erbgut-Varianten selektieren konnten. Neben Mutationen und epigenetischen Faktoren scheinen Viren damit der entscheidende Treibriemen der Evolution zu sein. Ohne Viren wäre die Vielfalt des Lebens auf der Erde nicht denkbar.

Manche Forscher halten das enorme evolutionäre Potenzial, welches das genetische Reservoir der Virosphäre – der Gesamtheit der Viren – enthält, sogar für den Grund, warum die Evolution das Eindringen von Fremdpartikeln in einem gewissen Maß zuließ. (Andere Forscher sehen den Grund allerdings darin, dass Schmarotzer das Genom einfach so häufig und massiv attackierten, dass es nicht gelang, sie völlig zu eliminieren.)

Auch in der Stammesgeschichte des Menschen spielten Viren eine bedeutende Rolle. So zeigten beispielsweise Forscher im Jahr 2000, dass Retroviren einst Bauanleitungen für Proteine in die DNA einschleusten, die heute dafür sorgen, dass sich bei einem Säugetier die Plazenta bildet und auf diese Weise der Nährstoffaustausch zwischen der Mutter und ihrem ungeborenen Kind sichergestellt ist.

Es leuchtet ein, dass eine so häufige und vielfältige „Lebensform“ auch unsere Ökosysteme mitgestaltet und einen erheblichen Beitrag zu deren Funktionieren leistet. So spielen Viren vermutlich eine wesentliche Rolle bei der Regulation des Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphatkreislaufs. Ihre Vielfalt soll in diesem Zusammenhang auch eine indirekte Wirkung auf den Klimawandel haben, weil sie die Kohlenstoffpumpe der Ozean verändern.

Heute, in der Zeit von Covid-19, hält uns aktuell das enorme weltweite Erkrankungs-potenzial der Viren in Atem. Das, was wir heute erleben, scheint aber erst die Spitze des Eisberges zu sein, denn es schlummert noch eine weitaus größere Zahl der winzigen Erreger in anderen Lebewesen, die zum Teil noch gravierendere Auswirkungen haben können. Durch die höheren Populationsdichten von Arten und häufigeren Kontakten zu Menschen infolge der zunehmenden Vernichtung von Ökosystemen und natürlicher Vielfalt (Biodiversität) steigt das Risiko, dass Viren von Tieren auf Menschen übertragen werden und dort Krankheiten hervorrufen. Dringend erforderlich scheint es also zu sein, eine weitere Zerstörung der Umwelt aufzuhalten, um weitere Pandemien zu vermeiden.

REM

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