Ganz vorne mit dabei

Seit dem welt­wei­ten Ausbruch von COVID-19 arbei­ten Wissenschaftler:innen mit Hochdruck an Lösungen, um dem Virus Einhalt zu gebie­ten und sei­ne zahl­rei­chen Folgen auf Gesundheit, Gesellschaft und Alltag zu erforschen.

Auch an der Martin-Luther-Universität leis­ten Forschungsgruppen in unter­schied­li­chen Projekten einen wich­ti­gen Beitrag zum bes­se­ren Umgang mit der Pandemie. So beob­ach­tet man am Institut für Politikwissenschaft, wie sich die Arbeit von Wahlkreisen in der gegen­wär­ti­gen Lage gestal­tet und wel­che Rolle Parlamente in Zeiten von COVID-19 ein­neh­men. Politik- und Sprachwissenschaftler:innen beschäf­ti­gen sich zudem damit, wie sich die poli­ti­sche Kommunikation wäh­rend der Pandemie ent­wi­ckelt. Währenddessen ermög­li­chen im natur­wis­sen­schaft­li­chen Bereich Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung neue Ansätze für die Analyse und Bekämpfung des SARS-CoV-2-Virus: Dort tra­gen unter ande­rem Untersuchungen zu Viren-RNA und Proteinstrukturen dazu bei, ein bes­se­res Verständnis vom Erreger zu bekom­men. In der Geowissenschaft ver­sucht man außer­dem Antworten dar­auf zu fin­den, wie sich Luftverschmutzung auf den Krankheitsverlauf aus­wirkt und wie man gewon­ne­ne Daten und Erkenntnisse über­haupt sinn­voll dar­stel­len kann. Die medi­zi­ni­sche Fakultät ver­an­stal­te­te im Rahmen der „RESTART-19“-Studie sogar ein Konzert, um das Übertragungsrisiko bei Großveranstaltungen unter­su­chen zu kön­nen. Darüber berich­ten wir im Detail in der Reportage „Für die Wissenschaft zum Konzert“.

Auf der Suche nach neuen Diagnoseverfahren

Damit COVID-19 bekämpft wer­den kann und um spä­ter bes­ser gegen ähn­li­che Situationen gerüs­tet zu sein, ist es wich­tig her­aus­zu­fin­den, wie sich die Krankheit ver­brei­tet und Neuinfektionen ent­wi­ckeln. Dafür sind schnel­le, güns­ti­ge und zuver­läs­si­ge Tests notwendig.

Die Suche nach einer neu­en Diagnostikmethode begann damit, dass sich Wissenschaftler:innen mit einer Pandemie kon­fron­tiert sahen, die drin­gend Lösungen ver­lang­te, und mün­de­te in der Gründung einer glo­ba­len Arbeitsgemeinschaft – der „COVID-19 Mass Spectrometry Coalition“, in der Forscher:innen aus der gan­zen Welt es sich zur Aufgabe gemacht haben, mit­tels der Massenspektrometrie das Virus und des­sen Auswirkungen effi­zi­ent zu unter­su­chen. Die Koalition dient in ers­ter Linie dem Austausch von Forschungsergebnissen und gegen­sei­ti­ger Unterstützung im gemein­sa­men Ziel.

Unter den betei­lig­ten Wissenschaftler:innen ist Prof. Dr. Andrea Sinz, Professorin für Pharmazeutische Chemie an der MLU und Vorsitzende der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie, einer Arbeitsgemeinschaft, die sich mit der Entwicklung die­ser Technik und deren Umsetzung befasst. „Der sprin­gen­de Punkt war, dass wir als Gemeinschaft mit unse­rer star­ken ana­ly­ti­schen Technik etwas bei­tra­gen woll­ten anstatt nur untä­tig her­um­zu­sit­zen“, so Sinz.

Hinter dem Begriff „Massenspektrometrie“ ver­birgt sich ein Verfahren, mit des­sen Hilfe Moleküle nach ihrer Masse getrennt und iden­ti­fi­ziert wer­den kön­nen. Damit ist es mög­lich, zum Beispiel Proteine und deren Anzahl in einer Probe genau zu bestim­men. Das ist wich­tig, da SARS-CoV‑2 Proteine ent­hält, anhand derer es genau erkannt und von ande­ren Viren unter­schie­den wer­den kann. Vor allem ein im Virusinneren befind­li­ches Nukleoprotein ist für die Untersuchungen inter­es­sant, da es in hoher Zahl vor­liegt. Wie alle ande­ren Proteine besteht auch die­ses aus einer Kette von Aminosäuren, die in einer ganz spe­zi­fi­schen Abfolge auf­tre­ten. Die Besonderheit der Massenspektrometrie besteht nun dar­in, dass man mit ihr nicht nur die Proteine selbst, son­dern auch die­se ein­zig­ar­ti­ge Sequenz von Aminosäuren nach­wei­sen kann. Somit erkennt man auch jeg­li­che Veränderungen, also Mutationen, inner­halb der Kette. Dies kann dazu bei­tra­gen, die Entwicklung des Virus bes­ser nachzuvollziehen.

Das zur­zeit gän­gi­ge Verfahren in der Diagnostik des SARS-CoV‑2 ist die Polymerase-Kettenreaktion oder kurz PCR. Dabei wird ein Abschnitt des gene­ti­schen Materials ver­viel­fäl­tigt, um es hin­ter­her nach­wei­sen zu kön­nen. Bei der Massenspektrometrie hin­ge­gen schaut man sich nicht die Gene, son­dern nur die Proteine an. Dies bie­tet zahl­rei­che Vorteile gegen­über der PCR. Das Virus kann direkt und sehr spe­zi­fisch anhand sei­ner Bestandteile nach­ge­wie­sen wer­den. Zudem ist der Test ver­gleichs­wei­se schnell. Laut Prof. Dr. Sinz beträgt die rei­ne Messzeit nur fünf Minuten, mit der Vorbereitung der Proben ver­län­gert sich dies noch ein­mal auf höchs­tens eine hal­be Stunde. Dies ermög­licht eine grö­ße­re Testkapazität.

Doch nicht nur das Testen, son­dern auch die Probenentnahme soll effi­zi­en­ter wer­den. Die bis­her mit Hilfe eines Wattestäbchens durch­ge­führ­ten Abstrichtests sind oft, vor allem
für Kinder, unan­ge­nehm und lau­fen Gefahr, beim Abtragen der Viren vom Wattestäbchen kon­ta­mi­niert zu wer­den. Für die Massenspektrometrie rei­che das kur­ze Gurgeln mit 15 Millilitern Kochsalzlösung aus, um ein kla­res Ergebnis zu bekom­men, erklärt Sinz.

Eine Alternative zu den üblichen Methoden?

Allerdings wird die Massenspektrometrie die gän­gi­gen Verfahren nicht erset­zen kön­nen und dient eher als Ergänzung. Die für die Tests ver­wen­de­ten Massenspektrometer sind ver­gleichs­wei­se groß, was ihren Einsatz außer­halb von Kliniken und Laboren, zum Beispiel in einem Testzentrum an einer Autobahn, schwie­rig macht. Prof. Dr. Sinz fügt hin­zu, dass es zwar trag­ba­re Geräte gebe, die Technik aller­dings noch wei­ter aus­ge­baut wer­den müsse.

Zudem sind die Geräte in der Anschaffung recht kost­spie­lig, was sich laut Sinz jedoch bei einer hohen Probenzahl schnell rech­ne. Nach ein­ma­li­ger Anschaffung des Geräts sind die Kosten der ein­zel­nen Proben näm­lich nicht mehr so hoch. Dadurch kann regel­mä­ßi­ger und groß­flä­chi­ger getes­tet wer­den, zum Beispiel bei Großveranstaltungen oder in Schulen.

Trotzdem wird für die Bedienung eines Massenspektrometers geschul­tes Personal gebraucht, um die Testergebnisse zuver­läs­sig aus­wer­ten zu kön­nen. „Das muss von Personen bedient wer­den, die häu­fig nicht viel über die Technik wis­sen. Deshalb muss ein Schutz gege­ben sein, falls das Gerät nicht kali­brier­bar ist und man fal­sche Messergebnisse erhal­ten wür­de.“ Das sei nicht per se ein Nachteil, aller­dings ein Punkt, bei dem der Hersteller Vorkehrungen tref­fen müs­se, so Prof. Dr. Sinz.

Das Verfahren kann also eine gute Ergänzung dar­stel­len, ist jedoch stel­len­wei­se noch aus­bau­fä­hig. Ziel ist es nicht nur, die Gerätetechnik zu ver­bes­sern, um klei­ne­re und güns­ti­ge­re Geräte zur Verfügung stel­len zu kön­nen, son­dern ver­schie­de­ne mas­sen­spek­tro­me­tri­sche Methoden wei­ter aus­zu­bau­en. Schnellere Testabläufe sol­len ent­wi­ckelt wer­den, um das Verfahren im Hochdurchsatz ein­set­zen zu kön­nen. Außerdem sieht die Professorin auch Verbesserungsmöglichkeit bei bereits ein­ge­setz­ten Methoden wie der PCR: „Ich glau­be, das Problem, dass es so lang dau­ert, liegt dar­an, dass man die Abläufe noch opti­mie­ren muss und wie man die Leute infor­miert. Man soll­te alles digi­ta­li­sie­ren, anders geht es nicht.“

Für die wei­te­re Erforschung bie­ten Deutschland und die MLU laut Prof. Dr. Sinz gute Möglichkeiten. In Ländern wie Italien, Spanien und Großbritannien wur­den zu Beginn der Pandemie öffent­li­che Einrichtungen auf­grund des Lockdowns geschlos­sen, wodurch die Forschung gelähmt wur­de. Sinz hin­ge­gen konn­te in Halle bereits nach einer Woche wie­der ihre Arbeit an der Universität aufnehmen.

Die Aufmerksamkeit, die Sinz’ Arbeitsgruppe durch das hoch rele­van­te Forschungsthema erhielt, ist ihrer Meinung nach vor allem für das Bild der MLU nach außen wichtig.

„Die Möglichkeiten sind hier nicht schlecht, nur oft ver­bor­gen. Am Proteinzentrum hat man gro­ße Freiheiten. Die Ausstattung ist sehr gut und kann inter­na­tio­nal abso­lut mit­hal­ten. Man braucht nicht zu den­ken: Alles spielt sich bloß in München oder Berlin ab und woan­ders läuft nichts. Das möch­te ich den Studierenden mit­ge­ben, dass man sich nicht ver­ste­cken darf und sich sagt: Ja, wir machen hier gute Sachen und haben auch einen guten Ruf.“

Digitale Sicherheit

Die Idee, Massenspektrometrie als Diagnostikverfahren für SARS-CoV‑2 ein­zu­set­zen, ent­stand vor allem aus der drin­gen­den Situation her­aus, die durch die glo­ba­le Pandemie aus­ge­löst wur­de. Am Institut für Informatik der MLU konn­ten hin­ge­gen bereits vor Corona durch­ge­führ­te Arbeiten zur Datensicherheit und anony­mer Kommunikation mit dem Erscheinen der Corona-Warn-App neue Anwendungsmöglichkeiten finden.

Dr. Sandro Wefel wid­met sei­ne Arbeit dem Bereich der IT-Sicherheit. Dabei unter­sucht er zum Beispiel, wel­che Anforderungen an Apps, die sen­si­ble Informationen über­mit­teln, in Bezug auf Datenschutz gestellt wer­den soll­ten, und sucht eben­falls Lösungen für digi­ta­le Lehre und Kommunikation. Zurzeit beglei­tet er eine Bachelorarbeit, die sich mit eben­sol­chen Fragen aus­ein­an­der­setzt: „Wir wol­len die Nutzer dar­in unter­stüt­zen, ein gutes Gefühl bei der Benutzung der Corona-App zu bekom­men. Dass ihnen rela­tiv wenig Gefahr droht, was ihre Privatsphäre, ihre Verbindungen – also ihre Kommunikation – angeht.“

Ziel ist es also, zu ermit­teln, ob es mög­li­che Sicherheitslücken gibt, durch die eigent­lich anony­mi­sier­te Daten einer bestimm­ten Person die­ser unge­wollt zuge­ord­net wer­den kön­nen. Das ist zum Teil gar nicht so ein­fach. Denn man braucht nicht nur die Technik und das fach­li­che Know-How, son­dern auch eine Menge Geduld für die Arbeit mit abs­trak­ten Problemen. So gilt es unter ande­rem her­aus­zu­fin­den, wie es sich ver­ein­ba­ren lässt, dass man Daten zuver­läs­sig Personen zuord­net und die­se gleich­zei­tig aus­rei­chend anonymisiert.

Die Schwachstellen im System

Mögliche Schwachstellen sind zum Beispiel die zen­tra­len Server des Anbieters – bei der Corona-App ist dies die Telekom, über die der Datenaustausch läuft. Mittels IP-Nummer kön­nen ein­ge­schick­te Datenpakete theo­re­tisch zum Gerät, das die­se abschickt, zurück­ver­folgt wer­den. Wird auf die­ser Ebene eine Schwachstelle in der Software gefun­den, wird dies zunächst nur im klei­nen Rahmen öffent­lich gemacht, um die Gefahr zu mini­mie­ren, dass sie aus­ge­nutzt wird. Daraufhin sucht man Lösungsansätze für das Problem und gibt die Informationen an die nöti­gen Stellen weiter.

„Entwicklern stellt man die Möglichkeit zur Verfügung, nach­zu­bes­sern. Sie müs­sen im ange­mes­se­nen Zeitraum reagie­ren, und wenn sie es nicht tun, wird die Schwachstelle ganz offen­ge­legt“, so Dr. Wefel. Dabei ent­schei­det erst das vor­lie­gen­de Sicherheitsproblem dar­über, wie auf­wen­dig und lang­wie­rig die Ausbesserungsarbeit ist. Besonders müh­sam ist es laut Dr. Wefel dann, wenn die gesam­te Infrastruktur umge­baut wer­den muss. Dabei müs­se die App umpro­gram­miert, getes­tet und schließ­lich ersetzt wer­den. Bei der Corona-Warn-App geht er aller­dings nicht davon aus: „Wir wer­den ver­mut­lich kei­ne Schwachstellen fin­den, die das Potential haben, das Netzwerk kom­plett anzu­grei­fen. Es wer­den eher Verbesserungsmöglichkeiten sein. Dass man sagt: Bestimmte theo­re­ti­sche De-Anonymisierungsmöglichkeiten sind da, und wir hät­ten Vorschläge, wie man die­se aus­räu­men kann.“ Da der Quellcode der App frei ver­füg­bar ist, kann theo­re­tisch jeder die­sen über­prü­fen und Fehlerberichte, soge­nann­te Bug-Reports, ein­rei­chen und Korrekturen anbringen.

Ganz anders wird ver­fah­ren, wenn ein Problem auf Nutzerebene auf­tritt. Die App funk­tio­niert über Bluetooth. Sendet sie nun Daten an ein ande­res Handy, wird dabei auch eine indi­vi­du­el­le Geräte-Kennnummer ver­schickt, mit deren Hilfe even­tu­ell Aufenthaltsort und ‑zeit die­ses Geräts fest­ge­stellt wer­den kön­nen. Auf die­se Schnittstelle in den Smartphones hat man von außen aller­dings kei­nen Zugriff, da sie von den Herstellern der Betriebssysteme vor­ge­ge­ben ist. Sollte man her­aus­fin­den, dass die Gerätenummern nicht aus­rei­chend anony­mi­siert sind, müss­te man sich also direkt an Google oder Apple wenden.

Datenschutz im Uni-Alltag

Doch nicht nur bei der Corona-Warn-App spielt Datensicherheit eine Rolle. Gerade in der Lehre an Schulen und Unis muss­ten seit Beginn der Pandemie schnell digi­ta­le Lösungen gefun­den wer­den. Bei der Umstellung von ana­log auf digi­tal grif­fen vie­le auf bekann­te und ver­brei­te­te Software wie Zoom oder Microsoft Teams zurück, die aller­dings nicht ganz frei von Sicherheitsproblemen war. Dr. Wefel glaubt, dies sei vor allem aus der Not her­aus gesche­hen und Funktionalität habe eine ent­schei­den­de Rolle gespielt.

Allerdings ste­hen inzwi­schen Alternativen zur Verfügung wie das Webkonferenzprogramm „BigBlueButton“. Dr. Wefel spricht sich dafür aus, auch loka­le Möglichkeiten und freie Software zu nut­zen. Damit könn­ten Entscheidungen getrof­fen wer­den, bei denen Sicherheit nicht vor der Funktionalität zurück­wei­chen müs­se. Zudem fügt er an, es sei schlecht für den IT-Standort Deutschland, sich ledig­lich an ein Produkt oder einen Hersteller, zum Beispiel Microsoft, zu bin­den. Dabei bemüht sich die Universität, Zugang zu unter­schied­li­chen Angeboten zu ermög­li­chen. Das Zentrum für mul­ti­me­dia­les Lehren und Lernen (LLZ) stellt zum Beispiel auf https://wiki.llz.uni-halle.de/Portal:Tools zahl­rei­che Kommunikationstools vor.

Dr. Wefel zieht den Schluss: „Man muss sich damit beschäf­ti­gen. Die Kernfunktionen sind in sol­chen Systemen schon ent­hal­ten. Beim Punkt Datenschutz geht es um die Nachvollziehbarkeit: Wo gehen mei­ne Daten über­haupt hin?“

Nicht nur an der Martin-Luther-Universität, son­dern welt­weit hat­te die Ausbreitung von COVID-19 eine star­ke Auswirkung auf die Forschungsarbeit. Dringend benö­tig­te Daten zum Virus, des­sen Ausbreitung und Folgen konn­ten vor allem am Anfang der Pandemie auf­grund von geschlos­se­nen Arbeitsräumen und abge­sag­ten Veranstaltungen nur schwer gesam­melt wer­den. Inzwischen jedoch betei­li­gen sich Wissenschaftler:innen unter­schied­lichs­ter Bereiche dar­an, wich­ti­ge neue Erkenntnisse zu sam­meln oder bereits erwor­be­nes Wissen auf die aktu­el­le Pandemie zu über­tra­gen, um die­se bes­ser zu ver­ste­hen. Halle trägt mit ver­schie­de­nen Projekten zu die­ser Erkenntnisgewinnung bei. Dabei konn­te die MLU mit ihren Forschungsgruppen durch die Arbeit an den aktu­el­len Problemen eine neue Aufmerksamkeit gewin­nen und womög­lich auch einen brei­te­ren Austausch über Themen för­dern, die sonst nur in Laboren und Uniräumen stattfinden.