Nobelpreis für Stefan Hell

Verleihungszeremonie in Stockholm

Bildquelle: Bernd Schuller/MPI für biophysikalische Chemie

Am 10. Dezember verlieh Schwedens König Carl XVI. die Nobelpreise für Medizin, Physik und Chemie. Der deutsche Physiker Stefan Hell teilt sich den Preis für Chemie mit Eric Betzig und William E. Moerner. Die drei Wissenschaftler erhalten die Auszeichnung für die bahnbrechende Entwicklung eines neuartigen optischen Mikroskops, mit dem Forscher zehnmal kleinere Strukturen als bisher erkennen können

Auch wenn er lieber Laborkittel trägt als Frack und Lederschuhe, Stefan Hell freut sich auf die Zeremonie. Begleitet von Familie, Freunden und Kollegen ist er nach Stockholm gereist, um am 10. Dezember, dem Todestag von Alfred Nobel, den Nobelpreis entgegenzunehmen. Hell ist Direktor am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen und gleichzeitig Abteilungsleiter am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg.

In der Mikroskopie galt eine maximale Auflösung von 0,0002 Millimetern als Grenze des Möglichen. Objekte, die enger beieinander waren, konnten nicht unterschieden werden. Mikroskopbilder waren verschwommen und für Wissenschaftler unbrauchbar. Grund dafür ist ein physikalisches Gesetz, das bis vor kurzen als unumstößlich galt: die Beugungsgrenze der Lichtwellen, die der Physiker Ernst Abbe bereits 1873 formulierte.

Das linke Bild wurde mit einem herkömmlichen Lichtmikroskop (konfokal) aufgenommen. Gezeigt werden Strukturen im Zellkern (gelb). Die Verteilung der einzelnen Strukturen sind im rechten Bild viel deutlicher sichtbar. Diese Aufnahme wurde mit einem STED-Mikroskop gemacht. Damit können in biologischen Strukturen, Auflösungen von unter 30 Nanometern erreicht werden. Bildquelle: Deutsches Krebsforschungszentrum, in Kooperation mit der Abteilung Molekulare Genetik - Prof. Dr. Peter Lichter

Doch Stefan W. Hell hatte die entscheidende Idee, um die Beugungsgrenze des Lichtes zu unterwandern. Dafür erhielt er zusammen mit den Amerikanern Eric Betzig und William Moerner den Nobelpreis für Chemie. Er entwickelte mit dem STED-Mikroskop (Stimulated Emission Deplision) eine Technologie, mit der Forscher nun bis zu 10-mal schärfer einzelne Moleküle in lebenden Zellen beobachten können. Das Verfahren nutzt die Eigenschaften von Fluoreszenz-Farbstoffen aus. Bei der STED-Methode werden zwei Laserstrahlen ineinander geschaltet. Der erste Laserstrahl regt fluoreszierende Marker in die Zellen an, so dass sie leuchten. Der zweite Laserstrahl bewirkt, dass nur jene Moleküle Licht emittieren, die sich die Forscher genauer unter dem Mikroskop anschauen wollen. Alle anderen Moleküle werden durch den zweiten Lichtstrahl wieder in den Grundzustand gebracht und damit regelrecht ausgeknipst. Auf diese Weise gelang es Hell, den Brennfleck zu verkleinern, also die Anzahl der Lichtpunkte unter dem Mikroskop so zu reduzieren, dass sie nicht alles überblenden. Dadurch werden dann tatsächlich feinste Strukturen sichtbar. Mit dieser ausgeklügelten Methode ist es nun möglich, Prozesse in lebenden Zellen mit einer Genauigkeit von 20 bis 50 Nanometern zu beobachten. "Am Anfang", erinnert sich Stefan Hell, "wollte kaum jemand daran glauben. Aber jetzt ist klar: Die Vision der lichtoptischen Nanoskopie ist Wirklichkeit geworden."

Die von Hell entwickelten STED-Mikroskope werden weltweit zur Untersuchung von biologischen Prozessen eingesetzt und tragen zu den rasanten Fortschritten in der medizinischen Grundlagenforschung bei. Als Leiter der Abteilung Optische Nanoskopie am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg arbeitet Hell zusammen mit seinem Team daran, die STED-Mikroskopie in der medizinische Grundlagenforschung weiter voranzubringen. Der große Vorteil der Methode ist es, dass auch lebende Zellen Nanometer-genau untersucht werden können. "Es ist ein tolles Gefühl, zu erleben, dass die STED-Mikroskopie die medizinische Grundlagenforschung enorm beflügelt", so Hell.

Video: Wie funktioniert die STED-Mikroskopie?