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15.10.2014

Schärfer als das Licht erlaubt

Nobelpreis für Chemie 2014: Prof. Dr. Dr. h.c. Stefan W. Hell

Generationen von Physikern glaubten an das Abbe-Limit, bis Stefan Hell mit seinen ungewöhnlichen Ideen das Lehrbuchwissen auf den Kopf gestellt hat. Die LASER World of PHOTONICS gratuliert ihrem Keynote Speaker des “World of Photonics Congress 2013” zu seinem Nobelpreis!

An Auszeichnungen fehlte es Professor Dr. Stefan Hell nicht. Nach dem deutschen Zukunftspreis 2006, dem Leibniz-Preis 2008, dem Otto-Hahn-Preis 2009 und dem Meyenburg-Preis 2011 nahm er erst vor knapp einem Monat aus der Hand des norwegischen Königs Harald den mit einer Million Dollar dotierten Kavli-Preis für Nano-Wissenschaften entgegen.

Er hätte im Norden bleiben können, denn wenige Wochen später klingelte am 8. Oktober 2014 das Telefon, am anderen Ende der Sekretär des Nobelpreis-Komitees: Stefan Hell, Direktor am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, hatte zusammen mit Eric Betzig und William Moerner den diesjährigen Nobelpreis für Chemie bekommen. Die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften würdigt damit die bahnbrechenden Arbeiten des Physikers auf dem Gebiet der ultrahochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie.

Der Norden scheint überhaupt ein gutes Pflaster für Stefan Hell zu sein. Denn nach seinem Physikstudium an der Universität Heidelberg und seiner Arbeit am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) entwickelte er ab 1993 an der Universität Turku in Finnland das Prinzip der STED-Mikroskopie (Stimulated Emission Depletion). Danach holte die Max-Planck-Gesellschaft ihn zurück nach Deutschland. Dort leitet er seit 2002 das Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, das stolz auf seinen Nobelpreis ist.

Hell gegen Abbe – Lichtmikroskopie revolutioniert

Mit seiner Erfindung der STED (Stimulated Emission Depletion)-Mikroskopie, die er 1999 experimentell realisierte, hat Prof. Hell die Lichtmikroskopie revolutioniert. Die bisherige Auflösungsgrenze optischer Mikroskope wurde radikal unterlaufen, der Durchbruch ermöglicht neue wegweisende Erkenntnisse in der biologischen und medizinischen Forschung. Mit der STED-Mikroskopie zeigte Hell erstmals, dass man die durch die Wellennatur des Lichts bedingte Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen von 200 Nanometer überwinden kann.

Dies galt seit den Arbeiten von Ernst Abbe (1873) als unmöglich.
Auch die in der Medizin eingesetzte Fluoreszenzmikroskopie kapitulierte vor diesem Limit. Die Moleküle der Zelle werden bei dieser speziellen Form der Lichtmikroskopie mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert und mit Laserlicht gezielt zum Leuchten gebracht. Liegen die Moleküle enger beieinander als 200 Nanometer, verschwimmen sie zu einem verwaschenen Fleck. Wegen dieser Beugungseffekte konnten bislang kleinere Strukturen in lebenden Zellen nicht beobachtet werden.

Stefan Hell und sein Team überlisteten die Lichtbeugung mit einem Trick. Dazu ließen sie in einem STED-Mikroskop einem Laserstrahl, der die Fluoreszenzmoleküle anregt, einen zweiten Strahl folgen, der die Moleküle sofort wieder „abregt“ und dunkel hält. Damit aber nicht alle Moleküle abschaltet werden, hat der zweite Strahl in der Mitte ein Loch. So werden nur Moleküle am Rand des Anregungs-Lichtflecks dunkel, wohingegen Moleküle im Zentrum weiter leuchten.

Die Methode erlaubt es neben Momentaufnahmen sogar Lebensvorgänge im Inneren lebender Zellen „live“ mit Nanometer-Auflösung zu verfolgen. So gelang es 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.

Wie es zu seiner Idee kam, die Abbesche Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen zu unterlaufen, schilderte Stefan Hell dem Nobelkomitee so:
„Ich hatte damals intuitiv gespürt, dass hier etwas noch nicht zu Ende gedacht wurde“, erinnert sich Hell. "Das war Physik des 19. Jahrhunderts. Ich dachte, da muss ein Weg sein, wenn man die Objekte nicht nur anschaut, sondern mit ihnen spielt. Du musst versuchen, die Moleküle an- und auszuschalten, um mehr Details zu sehen."
Und das gelang ihm.

Wir gratulieren Prof. Dr. Stefan Hell zum Nobelpreis!

 
 
 
 
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