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Nobelpreis für Chemie 2014 : Lichtblicke in die Nanowelt

Stefan Hell vor seinem STED-Mikroskop Bild: AFP

Der Lichtmikroskopie gehört die Zukunft. Dafür haben der Göttinger Stefan Hell sowie die beiden Amerikaner Eric Betzig und William Moerner mit ihren bahnbrechenden Verfahren gesorgt, für das die drei Forscher den diesjährigen Chemie-Nobelpreis erhalten.

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          Bald vier Jahrhunderte nach seiner Erfindung gehört das Lichtmikroskop immer noch nicht zum alten Eisen. Besonders in der Biologie und in der Medizin profitiert vom naturgetreuen Abbild der Objekte und von der Möglichkeit, lebendes Gewebe zu studieren, ohne es dabei zu zerstören. Allerdings verhindert eine natürliche Schwelle die Untersuchung von Strukturen, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts. Objekte wie Viren, Eiweißstoffe oder das Innere von Zellen können deshalb auf herkömmlichem Wege nicht scharf abgebildet werden. Das hat sich dank der bahnbrechenden Arbeiten von Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, Eric Betzig vom Howard Hughes Medical Institute in Ashburn (Virginia) und William Moerner von der Stanford University in Kalifornien grundlegend gewandelt. Für ihre Leistung ist den drei Forschern gestern in Stockholm der diesjährige Nobelpreis für Chemie zuerkannt worden.

          Wie die Zellen sichtbar wurden
          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Das Auflösungsvermögen eines Lichtmikroskops wird durch das sogenannte Abbesche Gesetz bestimmt. Der deutsche Physiker Ernst Abbe hatte im 19. Jahrhundert herausgefunden, dass optische Mikroskope keine Objekte scharf abbilden können, die kleiner sind als etwa 200 Nanometer (Millionstel Millimeter), Das ist etwa die Hälfte der Wellenlänge des gerade noch sichtbaren blauen Lichts. Wissenschaftler, die noch kleinere Details von ihren Proben sehen wollten, mussten bislang auf Elektronenmikroskope ausweichen. Diese Instrumente arbeiten mit gebündelten Elektronenstrahlen, die merklich kleinere Wellenlängen haben als das Licht. Die Abbildungsgrenze verschiebt sich somit nach unten. Trotz seiner Überlegenheit hat die Elektronenmikroskopie einen großen Nachteil: Man kann mit ihr keine lebenden Proben untersuchen.

          Renaissance der optischen Mikroskopie

          Dass die optische Mikroskopie kein Auslaufmodell wurde, sondern sogar eine Renaissance erlebte, ist in Deutschland dem Erfindergeist und der Beharrlichkeit von Stefan Hell zu verdanken. So kam der frisch promovierte Physiker beim Studium eines Lehrbuches über Quantenoptik Anfang der neunziger Jahre bei einem Gastaufenthalt in Finnland auf die Idee, das Fluoreszenzlicht angeregter Farbstoffmoleküle zu nutzen. An der Universität Heidelberg, wo er seinen Doktortitel erhalten hatte, war er mit seinen Vorstellungen zuvor auf große Skepsis gestoßen.

          Das Prinzip der Einzellmolekül-Mikroskopie

          Hell verfasste in Finnland einen Artikel, in dem er sein Konzept erläuterte: Eine mit Farbstoffen markierte Probe sollten kurz nacheinander mit zwei Laserstrahlen beleuchtet werden. Der erste Strahl regt das ganze Objekt zum Leuchten an, der zweite löscht das Fluoreszenzlicht eines Teils der Farbstoffmoleküle wieder, etwa in den äußeren Randbereichen der Probe. Als Folge leuchten nur noch die innersten, noch angeregten Moleküle weiter, wodurch der Brennfleck schrumpft. Da man die Position der Laserstrahlen genau kennt, sollte man auch die Größe des Brennflecks bis auf wenige Nanometer genau bestimmen und so die Beugungsgrenze unterlaufen können, so die Idee.

          In die Welt der Zellen geblickt

          Am MPI in Göttingen wurde man auf Hells Ansatz aufmerksam und bot ihm 1997 eine Stelle als Nachwuchswissenschaftler an. Dort baute er sein STED-(Stimulated Emission Depletion)-Mikroskop. Drei Jahre später demonstrierte er dessen Leistungsfähigkeit, zunächst an einem Bakterium und wenig später an einer lebenden Zelle, deren nur wenige Nanometer große Bestandteile er sichtbar machen konnte. Die Auflösung betrug nur erstaunliche 30 Nanometer. Das STED-Mikroskop weckte schon bald das Interesse auch von Hirnforschern, die damit die Molekülwanderungen in den Nervenenden von Hirnzellen verfolgt haben. Vor kurzem hat Hell sogar einzelne Stränge des Erbsubstanz im Bereich von drei Nanometern sichtbar gemacht.

          Die Amerikaner Betzig und Moerner sind einen ähnlichen Weg gegangen. Sie nutzten anstelle von Farbstoffmolekülen die grün fluoreszierenden Proteine (GFP). Diese koppelten sie unter anderem an die Membran, eines wenige Mikrometer großen Verdauungsbläschens. Mit einem Laserstrahl brachten sie die GFP-Moleküle an verschiedenen Stellen gezielt zum Leuchten. Dabei machten sie mehrere Aufnahmen von der gleichen Stelle ihrer Probe. Als sie die Aufnahmen überlagerten, war der zarte Umriss des Lysosoms deutlich zu erkennen.

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