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.

Prof. Andrea Sinz ist Vor­sitzende der Deutschen Gesellschaft für Massen­spek­tro­mie. Bild: unbekannt

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.

Mit einem geeigneten Massen­spek­trom­e­ter lassen sich auch Pro­teine iden­ti­fizieren. Bild: Chris­t­ian Arlt

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.

Dr. San­dro Wefel forscht im Bere­ich der IT-Sicher­heit. Bild: Markus Scholz

„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.

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