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Deutscher erhält Nobelpreis für Chemie Hell bekommt Chemie-Nobelpreis für Durchbruch bei Fluoreszenzmikroskopie

Redakteur: Wolfgang Ernhofer

Stefan Hell, Direktor am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen und Abteilungsleiter am DKFZ, wurde für seine „Entwicklung hochauflösender Fluoreszenz-Mikroskopie“ mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.

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Stefan Hell freut sich über die höchste Auszeichnung für einen Wissenschaftler: Er erhält den Nobelpreis für Chemie.
Stefan Hell freut sich über die höchste Auszeichnung für einen Wissenschaftler: Er erhält den Nobelpreis für Chemie.
(Bild: dkfz.de)

Göttingen; Heidelberg – „Ich saß an meinem Schreibtisch als mich der Anruf aus Stockholm erreichte und die Freude bei mir ist riesengroß, dass die Arbeit von mir und meinen Mitarbeitern die höchste Auszeichnung erfährt, die man als Wissenschaftler erhalten kann“, freut sich Stefan Hell. Auch am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie ist der Jubel groß. Max-Planck-Präsident Martin Stratmann gratulierte dem frisch gekürten Nobelpreisträger: „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“.

„Stefan Hell ist ein absoluter Ausnahmewissenschaftler“, schwärmt auch Professor Otmar Wiestler, Vorstandsvorsitzender des Deutschen Krebsforschungszentrums, an dem Hell Abteilungsleiter ist.

Die höchste wissenschaftliche Auszeichnung ist der Lohn für viele Jahre unermüdlicher Forschung, im Laufe derer Hell das Auflösungsvermögen der Lichtmikroskopie um das Zehnfache steigerte – also zehnmal kleinere Strukturen darstellen konnte, als man das bisher für möglich gehalten hatte. Er hat damit eine völlig neue Dimension der Mikroskopie erschlossen.

Revolution der Lichtmikroskopie

Mit seiner Erfindung der STED(Stimulated Emission Depletion)-Mikroskopie, die er 1999 experimentell realisierte, hat Hell die Lichtmikroskopie revolutioniert. Herkömmliche Lichtmikroskope haben eine Auflösungsgrenze, die durch die Wellennatur des Lichts bedingt ist: Objekte, die weniger als 200 Nanometer voneinander entfernt sind, können nicht mehr getrennt wahrgenommen werden. Die von Ernst Abbe entdeckte Auflösungsgrenze – in einer Jenaer Gedenkstätte in Stein gemeißelt – galt für mehr als ein Jahrhundert für praktisch unumstößlich.

Auch die häufig in der Biologie und Medizin eingesetzte Fluoreszenzmikroskopie musste bisher vor dieser Grenze halt machen. Dabei werden Moleküle der Zelle mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert und mit Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge gezielt „angeschaltet“, sodass sie leuchten. Liegen die Moleküle enger beieinander als 200 Nanometer, verschwimmen sie allerdings auch hier zu einem verwaschenen Fleck. Für Biologen und Mediziner bedeutete dies eine massive Einschränkung – denn für sie sind weitaus kleinere Strukturen in lebenden Zellen interessant.

Der 51-jährige Physiker Hell hat als Erster einen Weg gefunden, die Abbesche Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen radikal zu unterlaufen – mit einem völlig neuen Konzept. Bei der von ihm erfundenen und zur Anwendungsreife entwickelten STED-Mikroskopie ist die Auflösung nicht länger durch die Lichtwellenlänge begrenzt. Dadurch ist es erstmals möglich, Strukturen in einer Zelle mit einer heute bis zu zehnmal besseren Detailschärfe im Vergleich zu herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopen zu beobachten. „Ich hatte damals intuitiv gespürt, dass hier etwas noch nicht zu Ende gedacht wurde“, erinnert sich Hell.

Lebensvorgänge im Zellinneren beobachten

Er und sein Team wenden mit dem STED-Mikroskop einen Trick an, um dem Phänomen der Lichtbeugung ein Schnippchen zu schlagen. Hierbei wird einem Strahl, der die Fluoreszenzmoleküle anregt, ein zweiter Lichtstrahl, der STED-Strahl, hinterhergesandt. Dieser bewirkt genau das Gegenteil: Er regt die Moleküle sofort ab und hält sie so dunkel. Damit der STED-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. Die Helligkeit des STED-Strahls kann so eingestellt werden, dass die Ausdehnung des Bereichs, in dem die Moleküle fluoreszieren können, beliebig verringert werden kann. Mit einem gegenüber dem klassischen Fokus typischerweise um einen Faktor zehn verengten fluoreszierenden Bereich wird die Probe abgerastert und somit ein Bild erstellt.

Doch nicht nur Momentaufnahmen sind mit dem neuen STED-Mikroskop möglich. Sogar Lebensvorgänge im Inneren lebender Zellen lassen sich damit „live“ mit Nanometer-Auflösung verfolgen. So gelang es dem Team um Hell, erstmals die Bewegungen von Botenstoff-Bläschen in einer Nervenzelle in Echtzeit zu „filmen“ – mit 33 Bildern pro Sekunde und einer Auflösung von rund 70 Nanometern.

Entwicklungszeit von Medikamenten drastisch verkürzen

Mit seinen bahnbrechenden Arbeiten zu STED und weiteren damit verwandten Verfahren wie der 4Pi-Mikroskopie hat Hell in den vergangenen Jahren ein Fenster aufgestoßen, um weit in den Nanokosmos lebender Zellen vorzudringen. In der Erforschung von Krankheiten oder der Entwicklung von Medikamenten biete die STED-Mikroskopie reichlich Potenzial, betont Hell. „Wenn sich direkt beobachten lässt, wie ein Medikament in der Zelle wirkt, könnte die Entwicklungszeit neuer therapeutischer Wirkstoffe enorm verkürzt werden.“

* Quellen: dkfz; Max-Planck-Gesellschaft

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