Detailliert zur Zusammensetzung des Covid-19-Impfstoffs
Matej Huš: 26. Dez 2020 um 22:48; Wissenschaft und Technologie
Es klingt einfach, besonders wenn wir es ins Computerjargon übersetzen. Der Covid-19-Impfstoff enthält den Quellcode für einen Teil des Virus, nämlich für Protein S, das aus seiner Hülle herausragt. Wenn wir diesen Quellcode in den Körper einbringen, produzieren unsere Zellen Kopien dieses Proteins. Das Immunsystem trifft darauf, erkennt es als Fremdkörper und bereitet eine Reaktion vor, wodurch es uns vor allen Fremdkörpern schützt, die ein solches Protein an der Oberfläche freiliegen haben – aktuell ist SARS-CoV-2 relevant. So funktionieren Impfstoffe auf Basis von modRNA (modifizierte messenger-RNA). Heute schauen wir unter die Haube, was genau der Impfstoff der Hersteller Pfizer und BioNTech enthält, mit dem morgen in Slowenien die am stärksten gefährdeten Gruppen geimpft werden.
Der Impfstoff enthält den Wirkstoff, der modRNA mit der passenden Gensequenz ist, sowie Hilfsstoffe. Schauen wir zuerst letztere an. Die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) listet in der Zulassung auch Hilfsstoffe (Seite 9) auf: Wasser, Saccharose (Haushaltszucker), Natriumchlorid (Küchensalz), Natriumhydrogenphosphat-Dihydrat (Na2HPO4 · 2H2O), Kaliumchlorid (KCl) und Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4). Das sind Salze, die normalerweise in Körperflüssigkeiten vorkommen, und sie sind im Impfstoff, damit er die passende Ionenstärke hat, um keinen osmotischen Schock in der Zelle zu verursachen. Zellmembranen sind wasserdurchlässig, Wasser wandert von höherer zu niedrigerer Konzentration, daher dringt Wasser ohne gelöste Salze in Zellen ein und lässt sie platzen. In der Praxis wissen wir alle, dass man keine großen Mengen destilliertes Wasser trinken sollte und Infusionen physiologische Lösung sein müssen, nicht Wasser. Zusätzlich enthält der Impfstoff Cholesterin, DSPC (1,2-Distearoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholin), ALC-0159 (2-[(Polyethylenglykol)-2000]-N,N-Ditetradecylacetamid) und ALC-0315 (((4-Hydroxybutyl)-azandiyl)bis(Hexan-6,1-diyl)bis(2-Hexyldekanoat)). Trotz komplizierter Namen sind das relativ einfache Fettmoleküle. Cholesterin ist ein Fett mit Steranstruktur, das im Impfstoff wenig mit den berüchtigten Protein-Komplexen LDL und HDL zu tun hat, die wir messen, wenn von Cholesterin die Rede ist. Das sind nämlich größere Proteinpartikel, die mehrere Fettmoleküle im Körper transportieren. Aufgabe der Fette im Impfstoff ist Schutz des Erbguts im Impfstoff, da sie Fett-Nanopartikel bilden, in die die modRNA eingeschlossen ist.
Welt und Biologie sind nicht so spektakulär, wie Hollywood-Filme uns weismachen wollen. Würden wir fremde RNA oder DNA naiv in den Körper spritzen, entstünde kein mutierter Organismus. Das Immunsystem würde mit Enzymen den fremden Gencode einfach zerbeißen, ohne dass wir es bemerken. Das passiert uns täglich. Durch Essen bringen wir enorme Mengen fremder DNA und RNA ins Körper, ohne es zu merken. Auch wenn uns im Sommer Mücken, Zecken und anderes Ungeziefer stechen, gelangen fremde Gene ins Blut, die dort schnell abbauen (problematischer, wenn sie Parasiten, Bakterien oder Viren mitgeben). Das Erbgut selbst ist sehr zerbrechlich und instabil, daher behalten Viren, diese extrem vereinfachten Lebenskeime (leben sie überhaupt?), immer noch eine Hülle, in die ihre RNA oder DNA eingepackt ist. Und so muss auch das Erbgut im Impfstoff eine Fett-Hülle haben, um zu Zellen gebracht und eingedrungen zu werden.
Wenn das genetische Material des Impfstoffs in die Zelle eintritt, bleibt es im Zytoplasma. Es kann nicht ins Zellkern übertragen werden, aber tatsächlich brauchen wir es dort nicht, da nur die Haupt-Zell-DNA dort ist. In jedem genetischen Material ist Code für Proteinproduktion, die auf Ribosomen hergestellt wird. Diese lesen messenger-RNA, die wir als Kopien relevanter DNA-Teile vorstellen können. Passende Enzyme lesen zuerst DNA im Kern ab und überschreiben sie in mRNA, die dann aus dem Kern ins Zytoplasma wandert. Ribosomen sind nicht wählerisch. Jede mRNA (richtig geformt, siehe unten), die sie finden, übersetzen sie gerne in Proteine. Und der Impfstoff schiebt ihnen solche RNA unter, die natürlich nicht aus zellulärer DNA kommt, was die Ribosomen aber gar nicht stört.
Schauen wir nun, was der Impfstoff ihnen unterschiebt (BNT162b2 bzw. Tozinameran). Die gesamte Sequenz hat 4284 Nukleotide. Ein einzelnes Nukleotid enthält Basen, Zucker Ribose und Phosphatgruppe. Das ist der Grundbaustein von RNA (und DNA, wenn Zucker Deoxyribose). Während Ribose und Phosphatgruppe bei jedem Nukleotid gleich sind und das Gerüst bilden, an das Basen anhaften, unterscheiden sich letztere. In DNA sind das Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T), in RNA übernimmt Uracil (U) die Funktion von Thymin. In 30 Mikrogramm RNA, die in der Impfdosis vorhanden ist, ist alles codiert, was wir zur Abwehr des Virus brauchen.
In diesen 4284 Zeichen sind 8568 Bits Information (4 Optionen pro Base, also 2 Bits pro Aufzeichnung), also ca. 1 Kilobyte. Das gesamte Virus hat ca. viermal so viel Information. Den Gencode lesen wir in Dreiergruppen. Grund ist einfach – mit 4 Buchstaben wollen wir mind. 20 verschiedene Wörter codieren, so viele Aminosäuren wie Proteine bauen. Das erlaubt etwas Redundanz. Dreibuchstaben-Optionen: 64 (Codons genannt), Aminosäuren: 20. Natur war hier nicht gleich gerecht, da Tryptophan nur eine Sequenz codiert (UGG), jede Punktmutation verursacht Aminosäureaustausch, während Leucin 6 Optionen hat (UUA, UUG, CUA, CUC, CUG, CUU). Das wird später wichtig.
Der gesamte Gencode im Impfstoff ist veröffentlicht, ebenso für Protein S im Virus (und ganzer Virus). Wie in der Informatik enthält der genetische Code Header, Wegweiser, Orientierungsdaten etc. Er beginnt mit Nukleotiden GA, die die Kappe am 5'-Ende darstellen (RNA-Kettenenden markiert als 5' und 3', da zyklische Ribose-Zucker als Gerüst an Positionen 3 und 5 verknüpft). Diese Kappe ist essenziell, damit mRNA überhaupt aktiv ist, ähnlich wie Linux-Skripte mit #! am Anfang deklarieren. Folgt ein nicht übersetzter Teil (UTR – untranslated region). Der ist essenziell, da Ribosom nicht vom Anfang lesen kann, es muss sich physisch an mRNA heften und blockiert dadurch anfängliche Nukleotide selbst. Übersetzung startet nach Codon AUG, das Proteinanfang markiert. Erster kürzerer Teil ist Signalpeptid – kurzer Abschnitt weniger Aminosäuren, nicht Teil von Protein S, sondern mit Leitfunktion. Angeheftet an Anfang des entstandenen Proteins, enthalten Infos, was Zelle damit machen soll: weitere Modifikationen (posttranslational), z.B. Methylgruppe an bestimmte Aminosäuren anhängen, wohin transportieren etc.
Also nach zwei Nukleotiden Kappe, 52 Nukleotiden nicht übersetzt, werden 48 Nukleotide zu Signalprotein (mit 16 Aminosäuren) übersetzt, dann folgt Code für Protein S (Nukleotide 103-3879). Vergleichen wir diesen Code mit dem für selbes Protein im realen Virus, sehen wir etliche Unterschiede, daher heißt diese RNA modifiziert (modRNA). Erster offensichtlicher Unterschied: Fehlen von Uracilen. Statt Buchstabe U ist Ψ im Code, das 1-Methyl-3'-Pseudouridyl darstellt. Grund ziemlich schlau. Fremde RNA im Körper ist nicht langlebig, Immunsystem zerstört sie. Diese Ersetzung überzeugt Immunsystem, RNA sei ungefährlich, lässt sie in Ruhe, während bei Übersetzung RNA zu Proteinen keine Probleme macht, da Ribosomen es noch als U normal lesen. Daher alle U im Impfstoff konsequent durch Ψ ersetzt. Zweite Änderung: Ersetzung einiger A und Ψ/U durch G und C, wenn kein Einfluss auf codierte Aminosäure (mehrere Codons codieren selbe Aminosäure, siehe oben). In doppelsträngiger DNA mehr Stabilität, da G-C 3 Wasserstoffbrücken, A-T 2. Bei RNA einsträngig, aber Modifikationen nützlich für Übersetzungs- und Syntheseeffizienz. Alle Änderungen wirkungslos auf Endprodukt – selbes Protein S wie Virus wird synthetisiert. Nennen wir synomyme Substitutionen.
Detaillierte Prüfung zeigt zwei unterschiedliche Substitutionen. Zwei Codons geändert, sodass statt Valin und Lysin Prolin codiert. Notwendig, damit Protein S der Zelle selbe Form wie Virus hat. Immunsystem erkennt Form, muss möglichst identisch. Bei allein produziertem Protein S in Zelle kollabiert es in andere Form als an Virus-Hülle. Immunreaktion lernte nutzlosen Protein erkennen. Mit Ersetzung Form von alleinstehendem Protein S wie virusähnlich. Kein Zufall dass Prolin Schlüssel ist, einzige Aminosäure mit zyklischer Struktur ohne primäre Aminogruppe sondern sekundäre. Praktisch viel rigider. Richtige Position "verriegelt" Proteinstruktur.
Am Ende zwei UGA-Codons, Stop-Codons – dort stoppt Ribosom Proteinsynthese. Folgt nicht übersetzter Teil (3'-UTR), muss aber da sein. Mehrere Funktionen, viele unbekannt, beeinflusst sicher Polyadenylierung, Übersetzungseffizienz, mRNA-Stabilität und Lokalisation. mRNA endet mit A-Sequenz gegen Abbau. Bei Nutzung fallen welche ab, daher optimale Anzahl A für Genexpression.
Zusammengefasst: Impfstoff ist wässrige Salzlösung für richtigen pH und Ionenstärke gegen Zell-Schock, plus Fette, die mRNA-Gencode verstecken für unzerstörten Zelleintritt. mRNA bleibt im Zytoplasma, Ribosomen produzieren virusgleiches Oberflächen-Protein S, Immunsystem lernt Reaktion. Für bessere Wirksamkeit mRNA nicht identisch mit Virus: Statt U (Uracil) synthetischer Analog für Immunvermeidung, plus nicht-aminosäure-affectierende Ersetzungen für effizientere Synthese. Zwei Stellen Aminosäureaustausch für selbe Form isolierten Protein S wie Virus. Deshalb modifizierte messenger-RNA (modRNA). RNA enthält Startkappe, unübersetzten Teil, Signal-Oligopeptid, Protein-Übersetzungsteil, End-unübersetzten Teil, Poly-A-Schutz vor Abbau. In Zelle zerfällt mRNA schnell.