Ein neues Virus erobert die Welt. Die Schweiz geriet im März 2020 in eine «ausserordentliche Lage», ab Oktober rollte die zweite Welle übers Land. Doch für viele Forschende im ETH-Bereich war das kein Grund zum Verzagen, sondern Appell und Ansporn, ihre – oft anderweitig erworbenen – Problemlösungsfähigkeiten in den Dienst von aktuellen und dringenden Herausforderungen zu stellen.

Martin Ackermann, Professor für die Ökologie von mikrobiellen Systemen an der ETH Zürich

Von einem Fischmarkt in der zentralchinesischen Millionenstadt Wuhan breitete sich eine neuartige Atemwegserkrankung in Windeseile über den gesamten Globus aus. In der Schweiz rief der Bundesrat Mitte März 2020 aufgrund der Corona- Pandemie die «ausserordentliche Lage» aus. Während Schulen und Geschäfte schliessen mussten und das öffentliche Leben nahezu stillstand, wuchs die Forschungsgemeinschaft in der Schweiz über sich hinaus. Zahlreiche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler engagieren sich, um einen Beitrag zur Bewältigung der Krise zu leisten.

Schäden und Kosten minimieren

«Für mich ist es ein ausserordentliches Privileg, die nationale wissenschaftliche Task Force zu präsidieren», sagt Martin Ackermann. Als Professor für die Ökologie mikrobieller Systeme an der ETH Zürich und Leiter der Eawag-Abteilung Umweltmikrobiologie interessiert er sich für grundlegende Fragen der Evolution. Mit seiner Gruppe untersucht er etwa, inwiefern sich genetisch identische Bakterienzellen in ihrem Verhalten unterscheiden. Das hat vordergründig nichts mit dem Infektionsgeschehen des neuen Virus zu tun. Doch wer genauer hinschaut, bemerkt, dass die Methoden der mathematischen Biologie und die interdisziplinäre Zusammenarbeit bei beiden Fragestellungen eine grosse Rolle spielen.

«Mich beeindruckt, wie konstruktiv die Leute zusammenarbeiten.» Martin Ackermann, Leiter der Swiss National COVID-19 Science Task Force

Dem unabhängigen Expertengremium, das Bund und Kantone berät und unterstützt, gehören rund 70 Forschende an. In zehn verschiedenen Gruppen erarbeiten sie wissenschaftliche Grundlagen zu Themen, die von der Prävention von Übertragungen über ökonomische Auswirkungen bis zur Modellierung der Anzahl Betten in Intensivstationen reichen. Ackermann war schon bei der Gründung der Task Force dabei, seit August leitet er sie. Obwohl die neue Aufgabe mit einem grossen Aufwand verbunden ist, gewinnt er ihr Vieles ab. «Mich beeindruckt, wie konstruktiv die Leute zusammenarbeiten.» Ihm sei aufgefallen, dass in öffentlichen Diskussionen wirtschaftliches und gesundheitliches Wohlergehen oft als gegensätzliche Pole dargestellt würden. Doch in der Task Force sei man sich einig, dass es das Ziel sein müsse, sowohl die gesundheitlichen Schäden zu minimieren als auch die gesellschaftlichen Kosten. «Je tiefer die Fallzahlen, desto grösser die wirtschaftliche Freiheit», sagt Ackermann.

Neu erfundene Contact-Tracing-Technologie

Wer die Fallzahlen tief halten will, muss die Übertragungsketten des Virus unterbrechen können. Hier spielt das Contact-Tracing eine wichtige Rolle. Südostasiatische Länder wie Taiwan oder Südkorea haben mit dem raschen Auffinden und Isolieren der Personen, die in der Nähe einer infizierten Person waren, eine wirksame Antwort auf die Pandemie gefunden. «Allerdings greifen diese Länder dabei auch auf Daten zurück, die aus Datenschutzsicht privat bleiben sollten», sagt Carmela Troncoso, Informatikprofessorin an der EPFL. «Wir haben uns gefragt, welche Daten für das Contact-Tracing absolut notwendig sind, und dann in sechs Wochen Technologie neu erfunden, um nur diese Daten zu erheben.»

Das neue Protokoll zur Nahbereichsverfolgung, das Troncoso mit ihren Kolleginnen und Kollegen entworfen hat, nennt sich DP3T («Decentralised Privacy-Preserving Proximity Tracing»). DP3T basiert auf regelmässig wechselnden Zufallskennungen, die mittels Bluetooth zwischen Smartphones ausgetauscht werden. Dabei bleiben die Daten im Telefon einer Person gespeichert. «Bei der Implementierung der neuen Bluetooth-Schnittstelle haben wir sowohl Apple als auch Google beraten», sagt Srđjan Čapkun, Professor am Institut für Informationssicherheit, der sich als Direktor der System Security Group an der ETH Zürich an der Entwicklung von DP3T beteiligte. «Das Protokoll wird nun von der SwissCovid App des Bundesamts für Gesundheit (BAG) verwendet, aber auch zahlreiche andere Länder in Europa haben unseren Ansatz übernommen», sagt Troncoso. Das überzeugende Argument: Die neue Technologie stellt sicher, dass niemand auf persönliche Informationen (wie etwa GPS-Standortdaten) zugreifen kann und dass somit weder Apple noch Google, noch die Behörden mit der Contact-Tracing-App private Daten sammeln.

Virtuelle Briefings für Lawinenbulletins

Not macht erfinderisch. Auch Thomas Stucki und sein Team vom Lawinenwarndienst am WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF in Davos. Wie ein Grossteil der Schweizer Bevölkerung durften auch sie während des Shutdowns nicht mehr an ihren Arbeitsplatz und mussten ihre Flexibilität unter Beweis stellen. «Die täglichen Lawinenbulletins sind ein Gemeinschaftswerk», sagt Stucki. Es seien immer drei Personen im Dienst, die sich um 15 Uhr, als fixes gemeinsames Element, zum Briefing treffen. «Normalerweise sitzen wir an einem Tisch und tauschen uns über die Beurteilung und Gefahreneinschätzung aus, mitunter mit ausgedruckten Karten», sagt Stucki.

Dank moderner Technik stieg die Lawinenwarnung erstmals auf eine dezentrale Erstellung der Bulletins um. Für das virtuelle Briefing via Zoom hätten sie einander am Bildschirm auf strittige Punkte hingewiesen, dabei sei aber ein grosser Teil der nonverbalen Kommunikation verloren gegangen. «Glücklicherweise hatten wir es im März und April aber mit einer günstigen Lawinensituation zu tun», sagt Stucki. «So konnten wir die Abläufe im Homeoffice einüben.» Jetzt ist der Lawinenwarndienst auch für Zwischenfälle gewappnet, welche die Lawinenprognostiker von ihrem Arbeitsort fernhalten könnten.

Licht für dreidimensionale Röntgenmikroskopie

Auch am PSI setzte die Coronakrise erfinderische Energien frei. Obwohl die meisten Forschungseinrichtungen weltweit während der Pandemie ihren Betrieb einstellten, blieben die Grossforschungsanlagen in Villigen, wie die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS), in Betrieb. Die SLS liefert Röntgenlicht von sehr hoher Helligkeit, mit dem sich beispielsweise die Strukturen von Proteinen bis auf die atomare Ebene aufschlüsseln lassen. Proteine sind die wichtigsten «Baumaterialien» sowie die «molekularen Werkzeuge und Maschinen» in allen lebenden Systemen, so auch im neuartigen Virus SARS-CoV-2. «Unsere Mitarbeitenden konnten während der Pandemie von der Möglichkeit der fernbedienten Beprobung mittels Robotergreifarmen an den Messstationen profitieren. So konnten Forschende zu jedem Zeitpunkt die Strukturen der SARS-CoV-2-Proteine analysieren», sagt Professor Gebhard Schertler, Leiter des Forschungsbereichs Biologie und Chemie am PSI. «Gleichzeitig beschlossen wir im Direktorium des PSI ein Wissenschaftsprogramm zum Thema COVID-19 ins Leben zu rufen.»

Innerhalb weniger Wochen stellten die Forschenden am PSI elf neue Projekte auf die Beine. So wurde z. B. ein Projekt mit dem Ziel gestartet, das helle Röntgenlicht der SLS neu auch zur Untersuchung von Lungengewebeproben von COVID-19-Patientinnen und -Patienten zu nutzen, und zwar mit einer am PSI entwickelten neuartigen Methode zur Röntgenbildgebung. Bei einem schweren Verlauf der Erkrankung greift das Immunsystem in einer Art Überreaktion die Lunge an. Dadurch bilden sich mosaikartig verteilte Wassereinschlüsse im Gewebe, welche die Atmung erschweren oder sogar verunmöglichen. «Mithilfe von dreidimensionaler Röntgenmikroskopie wollen wir genauer herausfinden, was da passiert und was getan werden kann, um solche Lungenschäden möglichst zu vermeiden», sagt Schertler.

Optischer Sensor zur Identifikation des SARS-CoV-2

Mit einer Neuausrichtung ihrer wissenschaftlichen Expertise hat auch die Forschungsgruppe um Professor Jing Wang an der ETH Zürich und an der Empa reagiert. Das Team beschäftigte sich bisher vor allem mit der Messung und Analyse von Luftschadstoffen wie Nanopartikeln oder Aerosolen und forschte u. a. an Sensoren, die Bakterien in der Luft feststellen können. «Diese Grundlagen haben wir genutzt und unseren optischen Sensor so weiterentwickelt, dass er spezifisch SARS-CoV-2-Viren in der Luft identifizieren kann», sagt Wang. Der neue Sensor besteht aus winzigen Strukturen aus Gold – Wang spricht von «goldenen Nanoinseln» –, auf die Wang und seine Mitarbeitenden Erbgutschnipsel aufgesetzt haben. Diese DNA Schnipsel sind komplementär zur genetischen Sequenz von SARS-CoV-2 und können deshalb mit dem einsträngigen viralen Erbgut verschmelzen. Wenn sich so die berühmte Doppelhelix bildet, verändert sich dadurch auch die Verteilung der Elektronenwolken in den Gold-Nanopartikeln. Dies können Wang und sein Team, dank eines (für das menschliche Auge unsichtbaren) quantenmechanischen Effekts, mit einem Spektrometer messen. «Zudem können wir die goldenen Nanoinseln mit einem grünen Laserlicht plasmonisch anregen. Dadurch steigt die Temperatur, und nicht perfekt passende Virensequenzen lösen sich von den Erbgutschnipseln auf dem Nanogold ab», sagt Wang. «Deshalb kann unser Sensor das SARS-CoV-2- Virus auch vom eng verwandten SARS-CoV-Virus unterscheiden.» Allerdings müssten sie noch einige weitere Hürden in der Entwicklung meistern, bevor sich mit dem Sensor zuverlässige Messungen in der Luft machen lassen, meint Wang.

Abwasseranalysen als Beitrag in der Coronakrise

Eine neue Nachweismethode für den Erreger von COVID-19 haben auch Forschende der EPFL in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Eawag entwickelt. Dass man mit Abwasseranalysen einen Beitrag zur Bewältigung der Coronakrise leistet, mag auf den ersten Blick erstaunen. «Doch Abwasseranalysen haben beispielsweise in Israel schon geholfen, den Erreger der Kinderlähmung in der Bevölkerung festzustellen», sagt Professorin Tamar Kohn, Leiterin des Laboratoriums für Umweltchemie an der EPFL. «International spielt die Analyse von Abwasser bei der Überwachung von SARS-CoV-2 eine zusehends grössere Rolle», ergänzt Christoph Ort, Eawag-Forschungsgruppenleiter in der Abteilung Siedlungswasserwirtschaft.

Seit Ende Februar 2020 sammeln die Mitarbeitenden der beiden Forschungsgruppen Abwasserproben aus Lausanne, Lugano und Zürich. «Anfangs bewegten wir uns quasi im Blindflug. Erst mit der Zeit haben wir herausgefunden, wie wir die Proben aufbereiten und säubern müssen, um das darin enthaltene Erbgut untersuchen zu können», erzählt Kohn. Im Unterschied zu den individuellen Tests, die in Abstrichen der Rachenschleimhaut nach dem Erbgut von SARS-CoV-2 suchen, lassen die Untersuchungen im Abwasser keinen Schluss auf die Ansteckung einzelner Personen zu.

In Krisenzeiten neue Wege gehen

Sowieso scheide nur ungefähr die Hälfte der infizierten Personen Viren in den Fäkalien aus. Deshalb würden, so Kohn und Ort, ihre Analysen die aktuell verwendeten PCR-Tests keinesfalls ersetzen, dafür aber sinnvoll ergänzen. Denn: «Im Abwasser gewinnen wir einen Überblick über grosse Teile der Bevölkerung und können rasch erkennen, wo neue Krankheitsherde auftauchen», sagt Kohn. Ort beschäftigt sich schon mehr als zehn Jahre mit Abwasseranalysen, lange lag das Gebiet im Schatten der Aufmerksamkeit. «Plötzlich ist unsere Arbeit ins öffentliche Rampenlicht gerückt», sagt Ort. Nun wenden die Forschenden viel Zeit und Energie auf, um dem grossen Interesse am neuen COVID-19-Virus nachzukommen und die vielen Fragen zu beantworten.

Insgesamt leisten zahlreiche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem ETH-Bereich einen Sondereinsatz. Mit dem Verschieben anderer Forschungsprioritäten bezeugen sie ihre Flexibilität und tragen an vielen verschiedenen Fronten zur Bewältigung der aktuellen Krise bei. Deshalb zahlt es sich nun aus, dass die Schweiz mit ausreichenden finanziellen Mitteln eine qualitativ hochstehende Forschungslandschaft unterhält. In Momenten wie diesen kann die Schweiz nicht nur auf das exzellente Fachwissen der Forschenden zählen, sondern auch auf deren beeindruckende Fähigkeit, Probleme zu lösen. Sie sind von ihrer alltäglichen Arbeit her den Umgang mit Ungewissheiten gewohnt und in besonderem Masse befähigt, in Krisenzeiten neue Wege zu gehen.