Grenzenlos scharf: Lichtmikroskopie im 21. Jahrhundert

Wie kaum ein anderes Instrument führt das Lichtmikroskop seit dem 17. Jahrhundert zu wissenschaftlichen Erkenntnissen. Doch Licht breitet sich als Welle aus und wird gebeugt. Deshalb kann ein Lichtmikroskop nur Details auflösen, die mindestens eine halbe Wellenlänge (200 Nanometer) voneinander entfernt sind. 1873 von Ernst Abbe entdeckt und in einer Formel festgehalten, erschien dieses Gesetz lange Zeit unüberwindbar. Um feinere Strukturen untersuchen zu können, wurden deshalb die Elektronen- sowie die Rastersondenmikroskopie erfunden. Mit ihren höheren Auflösungen haben sie maßgeblich zum Fortschritt des 20. Jahrhunderts beigetragen. Dennoch: Intakte oder sogar lebende Zellen können auch diese Verfahren nicht abbilden. Denn sie sind auf Oberflächen begrenzt oder erfrodern sogar Vakuum. Der Physiker Stefan Hell hat mit der sogenannten STED-Mikroskopie (STED = Stimulated Emission Depletion) einen Weg gefunden, die 130 Jahre alte Abbesche Grenze im Fluoreszenzmikroskop zu überwinden. Das Neue an diesem Verfahren ist, dass die Schärfe nicht mehr durch die Lichtwellenlänge begrenzt ist. Mithilfe der STED-Mikroskopie können heute Proteinverteilungen bis zu zehnmal schärfer als bisher dargestellt werden. Die erzielten Auflösungen des Verfahrens liegen um ein Zehnfaches über Abbes Grenze, bei 20 Nanometern. Da Proteinkomplexe im Bereich 0,01 bis 0,2 Mikrometer liegen, hat das STED-Mikroskop das Potenzial, in die molekulare Skala des Lebens vorzudringen und Krankheiten besser auf die Spur zu kommen. Erste wichtige Erkenntnisse wurden bereits gemacht: So konnte die STED-Mikroskopie einzelne Bläschen mit Nervenbotenstoffen (synaptische Vesikel) sichtbar machen und damit eine wichtige Frage der Neurobiologie klären. Abbes Beugungsgrenze behindert aber nicht nur den Einblick in die Zelle, sondern auch die Herstellung kleinster elektronischer Schaltkreise. Mit geeigneten schaltbaren Molekülen ließe sich das von Stefan Hell entwickelte Prinzip umkehren und zum Herstellen feinster Nanostrukturen verwenden. Obwohl das Verfahren für Massenspeicher vermutlich zu langsam wäre, könnte man beliebig kleine Strukturen kundenorientiert anfertigen – und zwar mit sichtbarem Licht.

Stefan W. Hell

Stefan W. Hell studierte in Heidelberg und wurde dort im Fach Physik promoviert. Schon in seiner Dissertation befasste sich der Wissenschaftler mit Mikroskopie. Ab 1991 arbeitete er am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg und an der Universität Turku in Finnland an der Frage, wie lichtmikroskopische Auflösungen im Nanometerbereich zu erreichen sind. Bis dahin galt die Annahme, dass die Auflösung dieser Mikroskope auf die halbe Lichtwellenlänge (200-400 Nanometer) begrenzt ist. Gleicharti ge Objekte, die näher beieinander liegen, können im Bild nicht mehr unterschieden werden. Mit der Entwicklung der sogenannten „Stimulated Emission Depletion“, kurz STED-Mikroskopie, widerlegte Hell diese Annahme. 2014 erhielt er „für die Entwicklung der hochaufgelösten Fluoreszenz-Mikroskopie“ gemeinsam mit Eric Betzig und William E. Moerner den Nobelpreis für Chemie. Foto: Die Leopoldina zeichnete Stefan Hell im Jahr 2013 mit der Carus-Medaille aus. Ein Jahr später erhielt Hell den Nobelpreis für Chemie. © David Ausserhofer für die Leopoldina