Willkommen in der Planckwelt

15. Interview in München

Corona und die Gentechnik

IZ:
Mit dem Nobelpreis für Chemie 2020 wird die Entwicklung der Genschere gewürdigt, mit der die biologische Information der Virus-RNA und der DNA und ihren Mutationen analysiert wird. Die Genschere gehört zu den gentechnischen Werkzeugen, mit der auch der Impfstoff gegen das Corona Virus entwickelt wird. Wie ist der derzeitige Stand beim Impfstoff und den aktuell nachgewiesenen Mutationen?

Autor:
Die 2. Welle des Coronavirus hat uns erreicht. Durch Kontaktbeschränkungen soll das exponentionelle Wachstum bei der Zahl der Infizierten unterbrochen und in ein Plateau überführt werden. Dann kann der Wert wieder auf einen Evidenzwert gedrückt werden, der dem Gesundheitsamt die lückenlose Nachverfolgung der Kontakte erlaubt. Noch nie war weltweit die Hoffnung auf die Verfügbarkeit eines Impfstoffs größer. Die ersten 20 Millionen Impfdosen wurden nach erfolgter Zulassung nach den USA und Großbritannien von BionTech geliefert und wurden bereits verimpft. 2021 wird auch Curevac in Tübingen lieferbereit sein. Die Entwicklung eines Impfstoffs gegen das Coronavirus innerhalb eines Jahres war nur Dank der neuesten Entwicklungen der Gentechnik möglich.

IZ:
Biontech und Curevac verwenden ein bisher noch nicht eingesetztes Verfahren. Nach welchem Prinzip arbeitet das Verfahren?

Autor:
Ein Impfstoff regt die menschliche Zelle an, Antikörper gegen das eingedrungene Virus zu entwickeln. Bisher werden hierzu abgetötete Viren injiziert, die aufwändig in Bakterien gezüchtet werden. Beim Verfahren von Biontech und Curevac wird die mRNA injiziert, die das Ribosom der Wirtszelle veranlasst, das stachelige Hüllenprotein des Virus zu produzieren. Schon ein Teil des stacheligen Hüllenproteins reicht aus, um die Produktion von Antikörpern anzuregen, die das Virusprotein neutralisieren. Die mRNA – Technologie ermöglicht eine Massenproduktion, die innerhalb eines Jahres Milliarden Impfdosen erzeugt. Die Nukleotid-Sequenz der Virus-RNA wurde von der Generalmajorin der chinesischen Militäruniversität analysiert und am 11.Januar 2020 im Internet veröffentlicht. Seitdem werden die Impfstoffe gegen das Coronavirus entwickelt. Ein Milliardenmarkt mit einem enormen Marktpotential ist innerhalb eines Jahres entstanden. Der Preis der Impfdose liegt bei 20 Dollar.

IZ:
Wie können wir dieses gentechnische Verfahren einordnen. Die Physik kennt 4 Naturkräfte. Sie reichen nicht aus, um die biologische Kraft dieses Virus zu beschreiben. Liegt der Gentechnik eine 5. Naturkraft zugrunde?

Autor:
Kräfte gehorchen Symmetrien. Mit den Symmetrien SU(3) x SU(2) x U(1) beschreibt das bisher so erfolgreiche Standardmodell der Teilchenphysik die elektromagnetische, die schwache und die starke Kernkraft. Die Superstringtheorie wird als mögliche Quantengravitation derzeit diskutiert. Triumpf des Standardmodells war die Vereinigung der elektromagnetischen mit der schwachen Kraft zur elektroschwachen Kraft SU(2) x U(1). Für die Vereinigung der elektroschwachen Kraft mit der starken Kernkraft wurde die Symmetrie SU(5) vorgeschlagen. Sie wurde aufgegeben, weil der hierfür notwendige Zerfall des Protons in hochreinem Wasser nicht nachgewiesen werden konnte. Die aufwändigen Versuche in Bergwerksstollen in Europa und Japan wurden abgebrochen. Hinzu kommt noch, dass die Massen der 24 Bosonen für die SU(5) in der Größenordnung von Bakterien mit Kollisionsexperimenten nicht erzeugt werden können. Beschleuniger so groß wie die Milchstraße wären notwendig.

IZ:
Die Naturkräfte beruhen auf Ladungen. Das Proton ist an allen 4 Wechselwirkungen beteiligt mit der elektromagnetischen Ladung, den 2 Isospinladungen, den 3 Farbladungen und der Masse als Gravitationsladung. Wenn das Proton an der 5. Naturkraft beteiligt ist, muss es noch eine weitere Ladung haben.

Autor:
Diese Ladung ist die Chiralität mit der optischen Aktivität, wie sie durch die Händigkeit zum Ausdruck kommt. Asymmetrische Kohlenstoffatome besitzen diese Chiralität. Die einfachsten asymmetrischen Kohlenstoffverbindungen sind die Aminosäuren. Sie sind die Bausteine der Proteine. Von den 300 Aminosäuren hat die Evolution 20 proteinogene Aminosäuren ausgewählt, deren asymmetrische Kohlenstoffatome die Ebene des linear polarisierten Lichts nach links drehen. Die Aminosäure ist ein Zwitterion mit basischen NH₂- und sauren COOH-Molekülen mit unterschiedlichen Stärken. Jede Aminosäure hat einen isoelektrischen Punkt IEP bei einem bestimmten pH-Wert, bei dem die positiven und negativen Ladungsstärken gleich sind. Die Aminosäure ist dann elektrisch neutral und wird unlöslich. Wenn die 20 Aminosäuren eines angenommenen Standardproteins nach fallenden IEPs und fallenden pH-Werten geordnet werden, erhalten wir eine Kurve mit 4 Geraden mit 4 unterschiedlichen Rotationswinkeln und Translationen. Die RNA und die DNA haben hingegen eine rechtsdrehende Händigkeit. Sie bestehen aus Nukleotiden mit 4 unterschiedlichen Basen, die durch ein Zucker-Phosphatmolekül verbunden sind. Jeder Aminosäure ist ein Triplett aus 3 Nukleotiden zugeordnet. Die RNA besteht aus den 4 Basen A,G,C,U und die DNA aus den 4 Basen A,G,C,T. Durch Kombination der 4 Basen gibt es 4³ = 64 mögliche Tripletts. Sie werden Codons genannt. Das Ladungsgleichgewicht von linksdrehender und rechtsdrehender Chiralität entspricht dem Ladungsgleichgewicht beim Wasserstoffatom mit dem positiv geladenen Proton mit seinem Triplett aus Quarks und dem elektrisch negativ geladenen Elektron.

IZ:
Die Analogie ist interessant. Das Proton wechselwirkt mit dem Elektron über die elektromagnetische Kraft. Träger dieser Kraft ist das Photon, das aus einem virtuellen Elektron-Positron Paar besteht. Wer überträgt bei dieser Analogie die 5. Naturkraft?

Autor:
Träger ist die t-RNA. Sie besteht an einem Ende aus einer Aminosäure und, wie das obige Beispiel zeigt, am anderen Ende aus dem zugehörigen Anticodon-Basentriplett.

IZ:
Die Chiralität ist in der Gentechnik bekannt. Gibt es eine physikalische Grundlage für die Ladung und für die Ladungstrennung?

Autor:
Als physikalische Grundlage bietet sich die SU(5) mit ihren 5²-1= 24 Ladungsträgern an. Ladungsträger sind die asymmetrischen Kohlenstoffatome der 20 Aminosäuren und der 4 Nukleotidbasen. Die IEPs der 20 Aminosäuren sind aufgeteilt in den basischen, neutralen hydrophoben, neutralen hydrophilen und sauren Bereich.

IZ:
Wie ist die Ladungstrennung der 5. Kraft entstanden?

Autor:
Die einfachste proteinogene Aminosäure ist Glycin G mit 2 Wasserstoffatomen. Sie wird im Kosmos nachgewiesen und sie ist optisch nicht aktiv. Die Ladungstrennung in links- und rechtsdrehende Chiralität entsteht erst durch 4 unterschiedliche Liganden beim asymmetrischen Kohlenstoffatom. Wird ein H-Atom beim Glycin durch die CH₃ – Gruppe ersetzt, kommen wir zur einfachsten optisch aktiven Aminosäure Alanin (A). Die anderen 18 Aminosäuren haben die Alkylreste wie im obigen Bild dargestellt. Die Aminosäuren verketten sich zum Protein durch die Peptid-Bindung, die durch die Abspaltung des Wassermoleküls beim COOH- und NH₂ – Molekül entsteht.

IZ:
Durch Corona hat die SU(5) eine 2. Chance bekommen. Eine 5. Naturkraft bringt ein besseres Verständnis der Wechselwirkung zwischen Protein und RNA bei unterschiedlichen pH-Werten mit sich. Die Aminosäure-Ketten der Proteine sind unterschiedlich hydrophil und hydrophob und entfalten sich damit in die 3. und 4.Dimension. Welche Rolle spielt dabei der pH-Wert?

Autor:
Der pH steht in der Elektrochemie für die logarithmische Protonenaktivität im Wasser. In einem angenommenen Standardprotein ordnen wir die 20 Aminosäuren nach ihrem fallenden IEP-Wert ( s. Bild unten). Im sauren Bereich wird das COOH-Molekül entlang der 20 IEPs schrittweise deprotoniert und im basischen Bereich wird das NH₂-Molekül entlang der IEPs schrittweise protoniert. Das Proton erhält somit in wässrigen Elektrolyten mit der elektrochemischen Ladung einen weiteren Freiheitsgrad, mit dem sich die 20 Aminosäuren unterscheiden. Wir werden an die alten griechischen Philosophen erinnert, die dem Atom außer der Unteilbarkeit auch die Eigenschaften süß und sauer und salzig zuschrieben.

Was hat der pH-Wert mit dem Coronavirus und dem Impfstoff zu tun?

Autor:
Das Coronavirus muss in der Wirtszelle gegen einen pH-Gradienten von 5.5 – 4.5 ankämpfen. Das entspricht dem Säureschutzmantel der menschlichen Haut. In saurer Umgebung trocknet die Proteinhülle des Coronavirus aus und stirbt ab. Durch die Tröpfcheninfektion beim Ausatmen gelangt das Virus durch die Nasenschleimhaut in den Körper und infiziert die Rachenschleimhaut. Gerade weil der Mund-Nasenschutz derzeit heftig diskutiert wird, weil er das soziale Zusammenleben beeinträchtigt, ist das Tragen der FFP-2-Maske und der Abstand ein einfaches Mittel, um gegen das Virus anzukämpfen. Die textile Maske mit dem pH 5.5. – 4.5 wäre zudem die Ergänzung des Säureschutzmantels der Haut.

IZ:

Wie können wir uns die Ergänzung des Säureschutzmantels der Haut vorstellen?

Autor:
Das Tragen der FFP-2-Maske ist inzwischen Pflicht im öffentlichen Leben. Das Coronavirus ist 140 nm groß und wird durch Aerosole beim Ein- und Ausatmen übertragen. Dabei wird Vlies der Maske durch die Aerosole benetzt. Beim Durchtritt der Wassertröpfchen würde der Elektrolyt den pH-Wert 5.5 bis 4.5 annehmen und tötet das Virus ab. Wissenschaftliche Versuche würden sich hierzu lohnen.

IZ:
Inzwischen sind in Deutschland mit dem ersten Impfstoff von BionTech und Pfizer über 1 Millionen Menschen geimpft worden. Ende 2020 wurde in der EU mit der Massenimpfung begonnen. Europaweit wurden 7.4 Milliarden Euro für die Massenproduktion eingeworben. Die Zeit drängt, denn der bisherige wirtschaftliche Schaden mit Kurzarbeit, Entlassungen und kommenden Insolvenzen durch den 2. Lockdown ist enorm.

Autor:
BioNTech in Mainz und CureVac in Tübingen sind beim weltweiten Wettrennen dabei. Die mittelständische Firma CureVac in Tübingen wird im Kampf gegen dieses Virus von der Bundesregierung mit einer Beteiligung von 23% und mit 300 Millionen Euro finanziell unterstützt. CureVac hat die Nukleotidsequenz des Stachelproteins aus der m-RNA des Virus ermittelt. Mit dem neuen gentechnischen Verfahren druckt CureVac direkt den RNA-Abschnitt und injiziert ihn in die Wirtszelle. Die Virus-RNA regt die Wirtszelle an, Anti-Proteine zu bilden. Die in der Zelle gebildeten Antikörper verhindern dann die Vervielfältigung des Virus und das Eindringen des Virus durch die Membran anderer Wirtszellen. CureVac hat gesunden Freiwilligen 2µg des neu entwickelten Impfstoffs verabreicht. Antikörper haben sich im Körper der Freiwilligen ohne Nebenwirkungen gebildet. Als nächste Projektschritte werden 4 µg und 8 µg des Impfstoffs verabreicht. CureVac hat erstmals das neue RNA- und DNA-Druckverfahren bei diesem Impfstoff zur Anwendung gebracht. Das Verfahren lässt eine Massenproduktion von 100 Millionen Dosen ab Anfang 2021 zu. Der Impfstoff läuft im Eilverfahren durch die klinischen Tests. Der normale Weg zu einem neuen Impfstoff benötigt nach Meinung der Experten 10 Jahre. Solange können wir nicht warten, wenn wir den wirtschaftlichen Niedergang aufhalten wollen und die Insolvenzkurve der mittelständischen Wirtschaft nicht exponentiell ansteigen soll. Corona gibt den Anstoß, sich mit der biologischen Kraft als der 5. Naturkraft wissenschaftlich auseinanderzusetzen und sie mit den 4 anderen Naturkräften in der Weltformel zu vereinen.

IZ:
Die Gentechnik gehört zu den Schlüsselindustrien des 21. Jahrhunderts. Mit der Entwicklung des Impfstoffs gegen das Coronavirus innerhalb eines Jahres hat sie ihr machtvolles Potential entfaltet und weltweit den Durchbruch erreicht und die Skeptiker überzeugt. Es gibt keine Alternative, das lebensbedrohende Virus zu besiegen. Was macht diese 5. Naturkraft aus?

Autor:
Diese Naturkraft ist eine neue Qualität gegenüber der elektromagnetischen, der starken und schwachen Kernkraft und der Quantengravitation. Sie ist bisher nicht als physikalische Kraft formuliert worden. Hierzu gehört eine Polarität, eine Ladung und eine verbindende Symmetrie. Das Proton hat mit der Protonenaktivität in Wasser eine zusätzliche Ladung. Die Protonenaktivitäten sind bei den 20 proteinogenen Aminosäuren mit den linksdrehenden asymmetrischen Kohlenstoffatomen realisiert. Rechtsdrehend sind die 4 Ribobasen der DNA und der RNA.

IZ:

Was treibt einen wissenschaftlich interessierten Menschen eigentlich an, sich mit diesen Fragen zu beschäftigen?

Autor:
Das Thema meiner Diplomarbeit war die Korrosion von Eisen über den gesamten pH-Wert Bereich. Hierzu musste ein einheitlicher wässriger Elektrolyt von sauer bis basisch entwickelt werden. Dieser Puffer war damals in der Forschung nicht verfügbar. Damals konnte man nicht ahnen, welche Bedeutung die logarithmische Protonenaktivität im Wasser, wie der pH-Wert auch genannt wird, in der Teilchenphysik mit dem nicht nachweisbaren Protonenzerfall und in der Gentechnik bei der Entwicklung des Corona-Impfstoffs hat. Die proteinogenen Aminosäuren sind durch einen Buchstaben definiert. Darüber hinaus haben die 20 Aminosäuren isoelektrische Punkte mit zugehörigen pH-Werten über den gesamten pH-Wertbereich von sauer bis basisch. Die Aminosäure-Sequenz und damit die Gensequenz der Proteine ist damit auch eine darstellbare Zahlenfolge, die der Symmetrie SU(5) gehorcht. Die Genomsequenzen der Spike-Proteine der neuen Virus- Mutationen werden berechenbar.

Die Erweiterung des Standardmodells
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