Nobelpreis für neuen Blick auf das Leben

Braunschweig  Der Göttinger Forscher Stefan Hell überschritt eine als unüberwindlich geltende Auflösungsgrenze und machte kleinste Strukturen in Zellen sichtbar.

Als Naturforscher im 17. Jahrhundert in ihre verbesserten Mikroskope schauten, entdeckten sie eine unbekannte Welt: rote Blutkörperchen in Blutproben, Kleinstlebewesen und Bakterien in Teichwasser, menschlichem Speichel und Zahnbelag. Doch 1873 setzte der Physiker Ernst Abbe der Entdeckung dieses Mikrokosmos eine Grenze: Eine Auflösung von Strukturen, die kleiner sind als 200 Nanometer (der fünftausendste Teil eines Millimeters) – die Hälfte der Wellenlänge von sichtbarem Licht – sei physikalisch nicht möglich.

Am Mittwoch erhielten Stefan Hell aus Göttingen sowie die US-Amerikaner Eric Betzig und William Moerner den Nobelpreis für Chemie – für die Überwindung dieser als Abbe-Limit bezeichneten Auflösungsgrenze. Ihre Entdeckungen machten die Mikroskopie zur Nanoskopie.

Auch dies habe eine neue Welt eröffnet, erklärt Professor Philip Tinnefeld, Leiter der Arbeitsgruppe „Nano Bio Sciences“ am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der TU Braunschweig. „Die von den Preisträgern entwickelten Techniken ermöglichen tolle neue biologische Einblicke“, sagt Tinnefeld und zählt auf: „Proteine in Viren, die Poren von Zellkernen, Membranstrukturen – all dies wird plötzlich sichtbar. Es wurden ringförmige Aktin-Strukturen in Nervenzellen entdeckt, die zuvor gänzlich unbekannt waren.“

Stefan Hells STED-Mikroskop (kurz für Stimulated Emission Depletion) und die sogenannte photoaktivierte Lokalisationsmikroskopie, die von den beiden anderen Preisträgern Eric Betzig und William Moerner entwickelt wurden, seien heute die wichtigsten bildgebenden Verfahren der Biologie, sagt Professor Tinnefeld. „Alle Labore schaffen sich solche Mikroskope an, kein großer Hersteller kommt ohne diese Technik aus“, so der Chemiker, der in seiner Arbeitsgruppe selbst beide Techniken verwendet und der die Nobelpreisträger Hell und Betzig gut kennt.

„Unser Institut war an der Entwicklung und Verbreitung dieser Technik beteiligt“, sagt Tinnefeld. Mit diesem Wissen habe das Institut eine Firma ausgegründet, die Referenzstrukturen entwickelt und vertreibt, mit denen große Hersteller wie Zeiss und Leica ihre Mikroskope testen und kalibrieren können.

„Ich kenne Stefan schon seit Ewigkeiten“, sagt Tinnefeld über den frischgebackenen rumänisch-deutschen Nobelpreisträger. Er beschreibt ihn als fair, aber durchsetzungsstark: „In den 1990er Jahren kämpfte er in Deutschland gegen extremen Widerstand. Er hatte Probleme, Geld für seine Forschung zu bekommen, und ging deswegen nach Finnland“, erinnert sich der Chemiker. Als Hell dann 1994 das Prinzip seines Mikroskops veröffentlichte, sei die Reaktion verhalten gewesen.

Doch als er sechs Jahre später einen funktionieren Prototypen präsentierte, sei er in der Forschungslandschaft „nach oben gespült“ worden und habe schnell die Leitung des Max-Planck-Instituts (MPI) für biophysikalische Chemie in Göttingen übernommen.

Dort betreute er die Doktorarbeit von Birka Lalkens, die heute in der Arbeitsgruppe von Professor Tinnefeld an der TU Braunschweig arbeitet.

„Stefan Hell hielt engen Kontakt zu seinen Doktoranden und war über ihre Forschung immer auf dem Laufenden“, beschreibt Lalkens ihren ehemaligen Doktorvater. „Er ist eine außergewöhnliche Persönlichkeit mit breiten Interessen. Und er kann tolle Geschichten erzählen.“ Mit seinen Mitarbeitern sei er per Du, und auf dem Dach das MPI in Göttingen werde auch schon mal gegrillt und ein Bier getrunken.

Von 2006 bis 2009 erprobte Lalkens in ihrer Doktorarbeit bei Stefan Hell die Anwendung der STED-Mikroskopie in lebenden Zellen (Bild oben). Dieses Wissen wendet sie nun in ihre neue Arbeitsgruppe in Braunschweig an. Beide, Lakens und ihr Chef, sind sich einig: Der Nobelpreis für Hell, Betzig und Moerner ist vollkommen gerechtfertigt. „Alle drei stehen für echte Durchbrüche“, sagt Professor Tinnefeld

Dieser Durchbruch basiert auf der geschickten Nutzung von Fluoreszenz. Mit diesem Begriff beschreibt man das Abstrahlen von Licht durch ein Material, das zuvor durch anderes Licht angeregt wurde. Dieses Selbstleuchten macht man sich schon lange in der Mikroskopie zunutzen, indem zum Beispiel einzelne Strukturen in Zellen mit fluoreszierenden Stoffen markiert werden. Doch aufgrund des Abbe-Limits werden Strukturen, die kleiner sind als 200 Nanometer, unscharf.

Hell entwickelte ein Mikroskop, bei dem zunächst ein Laser einen großen Bereich einer Probe anregt und anschließend ein weiterer Laser die Fluoreszenz mit Ausnahme eines winzigen, einen Nanometer großen Bereiches wieder ausschaltet. Was übrig bleibt, ist ein einzelner winziger Lichtpunkt. Die Laser tasten nach und nach die Probe ab, aus den zusammengefügten, jeweils einen Nanometer großen Lichtpunkten entsteht so ein hochaufgelöstes Gesamtbild.

Damit wird der Nano-Kosmos sichtbar. Und anders als bei der Elektronenmikroskopie funktioniert dieses Verfahren auch bei lebenden Zellen, ohne sie zu töten. Entsprechend begründete das Nobelpreis-Komitee seine Entscheidung damit, dass die hochauflösende Mikroskopie ermögliche, die „innersten Geheimnisse des Lebens abzubilden“. Alle drei Forscher arbeiten bereits an medizinischen Anwendungen. Stefan Hell etwa untersucht, wie Krebszellen untereinander und mit anderen Zellen kommunizieren.

Nicht nur in Göttingen freut man sich über den Nobelpreis. Niedersachsens Wissenschaftsministerin Gabriele Heinen-Kljajic gratulierte wenige Stunden nach der Bekanntgabe: „Das ist ein außerordentlicher Erfolg für Professor Hell, für Niedersachsen und die Universität Göttingen“, schrieb die Ministerin.

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