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Deutscher Physiker erhält Chemie-Nobelpreis: Der Forscher, der die Grenzen sprengte

Was passiert in Zellen bei Krankheiten wie Alzheimer? Die diesjährigen Chemie-Nobelpreisträger sind mit Mikroskopen in die Welt des Allerkleinsten vorgestoßen – und können dort sogar Abläufe "filmen".

Von Lea Wolz

Kann mal jemand an der Auflösung schrauben?" Ganz humorvoll leitete Sven Lidin, Vorsitzender des Nobel-Komitees für Chemie, den Power-Point-Vortrag ein, mit dem die Leistungen der diesjährigen Chemie-Nobelpreisträger gewürdigt wurden. Passend war das, immerhin ging es genau um dies: Scharf stellen, um Dinge sichtbar zu machen, die bis dato nicht erkennbar waren. Genauer gesagt: Die diesjährigen Preisträger - der deutsche Physiker Stefan Hell und seine beiden Kollegen, die US-Wissenschaftler Eric Betzig und William Moerne - werden für ihre Forschungen zur optischen Mikroskopie geehrt.

Seit sieben Jahren geht der Chemie-Nobelpreis damit wieder an einen Deutschen. Der Weg des Physikers Stefan Hell ist dabei auch die Geschichte eines Forschers, der nicht aufgab. Der seine Idee verfolgte, Gesetze brach und an das glaubte, was er als richtig und wegweisend erkannt hatte - auch gegen den Widerstand führender Wissenschaftler dieses Forschungsfeldes. Und der dafür letztlich den Nobelpreis erhielt, die höchste wissenschaftliche Auszeichnung.

Dem 51-Jährigen gelang es, ein neuartiges Lichtmikroskop zu entwerfen - eines, das bis in die Nanowelt vordringen und lebende Zellen bis zu zehnmal schärfer abbilden kann als herkömmliche optische Mikroskope. Auch Vorgänge im Inneren der Zelle lassen sich gleichsam "filmen". Mit den Supermikroskopen sei es nun möglich, das Zusammenspiel von einzelnen Molekülen innerhalb von Zellen beobachten, schreibt die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in ihrer Begründung für die Preisvergabe. So lasse sich etwa untersuchen, wie sich Eiweiße bei der Entstehung von Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson ablagern oder wie die Zellteilung auf Nanoebene abläuft.

Im Gegensatz zum verschwommenen klassischen Bild (links) zeigt das STED-Bild (rechts) erheblich feinere Strukturen

Im Gegensatz zum verschwommenen klassischen Bild (links) zeigt das STED-Bild (rechts) erheblich feinere Strukturen

Warum doch ist, was nicht sein darf

Um mit Mikroskopen so tief in die Welt des Allerkleinen vorzudringen und besser zu verstehen, wie Zellen funktionieren, musste Hell ein Gesetz überwinden, das als unüberwindbare Grenze galt. Formuliert hatte es der deutsche Physiker Ernst Abbe bereits 1873. Demnach war die Auflösung, die optische Mikroskope erreichen können, unter anderem durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt - schärfer als die Hälfte einer Wellenlänge des Lichtes, das entspricht 200 Nanometern (200 Millionstel Millimeter), ließen sich herkömmliche Geräte nicht einstellen, so die Annahme. Kleinere Dinge - etwa Viren - seien nicht auflösbar, sie verschwimmen unter dem Mikroskop. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt etwa 100.000 Nanometer.

Der Blick ins Allerkleinste, so die Vermutung, bleibt Forschern verwehrt. Auf zellulärer Ebene seien etwa die Umrisse der Zellkraftwerke, die sogenannten Mitochondrien, sichtbar. Kleinere Objekte oder gar das Zusammenspiel zwischen Proteinmolekülen in der Zelle war mit herkömmlichen Geräten aber nicht zu erkennen, diese Grenze zog das Abbe-Gesetz. In etwa sei das so, als ob man die Häuser einer Stadt erkenne, aber nicht in der Lage sei wahrzunehmen, wie die Menschen darin leben, schreibt das Nobelpreis-Komitee. Mit Elektronenmikroskopen ließ sich zwar bereits etwas tiefer blicken als mit Lichtmikroskopen, doch ihre starke Strahlung zerstörte lebenden Strukturen.

Eine unbefriedigende Situation, das fand auch Hell. Bereits als frisch gekürter Doktor suchte er nach einem Weg, das Abbe-Gesetz zu umgehen. Doch der Widerstand in Deutschland war zu groß, hier fand er noch nicht einmal eine wissenschaftliche Stelle. Experten auf dem Gebiet erklärten sein Ansinnen für "verrückt", erinnerte sich der Physiker. Hell wechselte daher in den neunziger Jahren ins Ausland, an die Universität Turku in Finnland. Dort las er in einem Buch von der sogenannten stimulierten Emission. "In dem Moment ging mir ein Licht auf", sagte der Physiker. "Ich hatte ein Konzept gefunden, um mein Ziel zu verfolgen - den richtigen Gedankengang."

Mit Molekülen spielen

Um die Vorgänge im Innersten von Zellen sichtbar zu machen, bediente sich Hell fluoreszierender Moleküle. "Dabei werden Moleküle der Zelle mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert und mit Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge gezielt „angeschaltet“, sodass sie leuchten", schreibt das Göttinger Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie in einer Pressemitteilung. Doch auch die Fluoreszenzmikroskopie habe zuerst vor der Abbe-Grenze haltmachen müssen.

Um diese zu überwinden, bediente sich Hell eines Tricks: Er "spielte mit Molekülen". Dem Strahl, der die fluoreszierenden Moleküle anregt, schickte er einen zweiten Lichtstrahl hinterher. Dieser bewirkt das Gegenteil: Er regt die Moleküle ab, sorgt also dafür, dass sie ihre Energie verlieren, und hält sie dunkel. "Damit der Strahl aber nicht alle Moleküle abschaltet, hat er in der Mitte ein Loch. Dadurch werden Moleküle am Rand des Anregungs-Lichtflecks dunkel, wohingegen Moleküle im Zentrum ungestört leuchten können", heißt es in der MPI-Mitteilung.

Die Helligkeit des Strahls - und damit der Bereich, in dem die Moleküle flu­o­res­zie­ren - lässt sich so beliebig einstellen. Dabei gilt: Je schmaler der flu­o­res­zie­rende Bereich, desto höher ist die Auflösung des abgerasterten Bildes. Die Methode, die er 2000 erstmals in der Praxis einsetzte, bezeichnete Hell als STED-Mikroskopie (Stimulated Emission Depletion - Stimulierte Emissions-Löschung). Mit ihr lassen sich Bilder in zehnmal besserer Detailschärfe erstellen als bei herkömmlichen Lichtmikroskopen, da die Auflösung nicht länger durch die Lichtwellenlänge begrenzt ist.

Geheimnisse des Lebens auf der Spur

Eric Betzig und William Moerne, die beiden anderen Nobelpreisträger, haben unabhängig voneinander den Grundstein für die sogenannte Einzelmolekül-Mikroskopie geebnet, die Hell schließlich noch perfektionierte. Sie hatten herausgefunden, dass sich die Fluoreszenz von einzelnen Molekülen ein- und ausschalten lässt. So ist es möglich, Moleküle, die zu eng beieinander liegen, um sie einzeln betrachten zu können, nacheinander zum Leuchten zu bringen. Danach werden die Bilder übereinandergelegt, sodass ein präzises Bild in Nanoauflösung entsteht, das weit schärfer ist, als Abbes physikalisches Gesetz es bislang zugelassen hatte. 2006 hatte Eric Betz die Methode erstmals erfolgreich erprobt.

Am Göttinger Max-Planck-Institut ist die Begeisterung über die Auszeichnung groß - mit Hell bekommt der achte Wissenschaftler der Gesellschaft den Nobelpreis verliehen. "Das ist eine wunderbare Würdigung der Pionierarbeiten von Stefan Hell. Es wird ein Wissenschaftler ausgezeichnet, der den Mut hatte gegen viele Widerstände, ausgetretene Pfade zu verlassen und vermeintliche Glaubenssätze in Frage zu stellen. Nur so kann in der Wissenschaft wirklich Neues entstehen", sagt Präsident Martin Stratmann.

Die Methoden der Nobelpreisträger seien heute weltweit im Einsatz, schreibt die Nobelpreis-Jury. Täglich werde damit neues Wissen von größtem Nutzen für die Menschheit produziert. So sei Hell etwa der Blick in lebende Nervenzellen gelungen, Moerner habe Proteine studiert, die im Zusammenhang mit der Huntington-Krankheit stehen, und Betzig habe die Zellteilung bei Embryonen beobachtet. Gegenüber dem Wissenschaftsmagazin "Nature" sagte Hell 2009: "Auch wenn es kindisch ist, aber es bereitet mir heute noch Freude hochauflösende Bilder zu betrachten, von denen mir jeder sagte, dass sie unmöglich sind."

Mitarbeit: Mirja Hammer