Neues Mikroskop schaut in lebende Zellen Blick in den Nanokosmos

Stefan Hell ist der Durchbruch in der Lichtmikroskopie gelungen. Der Direktor der Abteilung Nano-Biophotonik hat erstmals einen Weg gefunden, die physikalische Grenze in der so genannten Fluoreszenzmikroskopie zu überwinden, dem wichtigsten Mikroskopieverfahren der biomedizinischen Forschung. Mit dem von ihm entwickelten Sted-Mikroskop können Forscher erstmals Vorgänge in lebenden Zellen beobachten.
  • Hans Schürmann
Max-Planck-Forscher Stefan Hell ist für den Zukunftspreis 2006 nominiert. Foto: dpa

Max-Planck-Forscher Stefan Hell ist für den Zukunftspreis 2006 nominiert. Foto: dpa

DÜSSELDORF. „Niemand hat geglaubt, dass sich das so genannte Abbesche Gesetz überwinden lässt“, sagt Hell. In allen Lehrbüchern steht die Formel des Thüringer Physikers Ernst Abbe (1840-1905), nach der unter dem gewöhnlichen Lichtmikroskop nichts zu sehen ist, was kleiner ist als 200 Nanometer – ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter. „Ich habe intuitiv gespürt, dass hier etwas noch nicht zu Ende gedacht ist“, sagt der 43-jährige Forscher. Mit einem physikalischen Trick ist es ihm gelungen, die Auflösung um mehr als das Zehnfache zu verkleinern – bis auf 15 Nanometer.

Für die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ist Hell’s Innovation eine „bahnbrechende neue Idee zur Verbesserung der Lichtmikroskopie“. MPG-Präsident Peter Gruss hat daher den Göttinger Physiker persönlich für den Deutschen Zukunftspreis vorgeschlagen. Das Neue an dem von Hell erfundenen Mikroskopie-Verfahren ist, dass die Schärfe des Lichtmikroskop nicht mehr durch die Lichtwellenlänge begrenzt ist.

Die Fluoreszenzmikroskopie ist für die Lebenswissenschaften mit Abstand das wichtigste mikroskopische Verfahren. 85 Prozent aller Untersuchungen in der biomedizinischen Grundlagenforschung erfolgen mit dieser Technik. Sie konnte aber bislang nur Details auflösen, die mindestens eine halbe Wellenlänge – 200 Nanometer – voneinander entfernt liegen. Alles, was feiner ist, wird im Lichtmikroskop nicht mehr scharf dargestellt. Dadurch war bislang die Forschung begrenzt. Wenn Proteine in der Zelle dichter als 200 Nanometer gepackt sind, kann man sie nicht mehr getrennt im Bild wahrnehmen: Sie erscheinen als grüner verwaschener Fleck.

Hell nutzt ebenfalls das Phänomen der Fluoreszenz, bei der bestimmte Moleküle zum Leuchten angeregt werden. Der Biophysiker heftet fluoreszierende Moleküle an die Proteine, die er untersuchen will. Dann beleuchtet er die Probe mit zwei Strahlen: einem zur Fluoreszenz-Anregung und einem, der die Fluoreszenz verhindert. Durch geschickte Überlagerung dieser beiden Strahlen gelingt es Hell, die Auflösung des Mikroskops fast beliebig zu erweitern.

Die von Hell entwickelte Sted-Mikroskopie – Sted steht für stimulated emission depletion – verwendet normale optische Komponenten – Linsen, Spiegel und Objektive, die auch sonst in einem Lichtmikroskop zu finden sind. Im Gegensatz zum Elektronenmikroskop sei die Bedienung einfach, und „noch wichtiger, man muss die Zelle nicht zerschneiden“, sagt der Forscher. Das neue Verfahren kann lebende Zellen im Detail abbilden. Und genau das mache das Projekt so aufregend, schwärmt Hell.

So verspricht das Sted-Mikroskop grundlegend neue Erkenntnisse in der Krebsforschung. „Wir können erstmals das Regelwerk der Zelle live beobachten und sehen, wann, was, wo passiert oder sogar aus dem Ruder läuft.“ Vorteil für die Medikamentenentwicklung: Die Forscher können sehen, wie ein Medikament in der Zelle wirkt. Dies könnte Tierversuche erübrigen, Nebenwirkungen reduzieren und die Entwicklungszeit enorm verkürzen.

Doch nicht nur die Pharmaforschung soll von der neuen Technik profitieren. Die Herstellung kleinster elektronischer Schaltkreise erfordert immer kürzere Wellenlängen – in Zukunft sogar von Röntgenlicht. Weil Röntgenlicht aber sehr schwierig zu bündeln ist, ist die Entwicklung entsprechender Techniken sehr teuer. „Wir haben gezeigt, dass man mit unserem Verfahren Strukturen von 60 Nanometern und sicherlich auch darunter darstellen kann, wenn man sie entsprechend fluoreszenz markiert“, sagt Hell. Damit könnte seine Technik oder ein verwandtes Verfahren auch die Chipherstellung beschleunigen oder verbilligen. Die Herstellung von Nanostrukturen ist ein Milliardenmarkt.

Das Optikunternehmen Leica Microsystems hat 2002 das Sted-Mikroskop lizenziert. „Damals steckte die Technik noch in den Kinderschuhen“, sagt Volker Seyfried, Leiter Forschung und Entwicklung bei dem Mikroskop-Spezialisten. Hell sei der einzige gewesen, der das selbst gebaute Gerät bedienen konnte. Inzwischen ist das höchst auflösende Mikroskop der Welt so weit entwickelt, dass es im nächsten Jahr auf den Markt kommen kann. Es wird je nach Ausstattung zwischen 800 000 und einer Million Euro kosten. Kunden sind Forschungsinstitute auf der ganzen Welt.

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