Besser sehen als die Physik erlaubt

28. Juni 2011, 19:55
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Mehr als hundert Jahre lang haben Forscher ein Naturgesetz akzeptiert, das die Leistung von Mikroskopen limitiert

Ein Physiker zeigt nun: Man kann es nicht brechen – aber elegant umgehen.

"Mein Interesse richtet sich auf die kleinen und besonderen Dinge, denn die Welt enthüllt nirgends mehr als im nahen, intimen Detail." Wären diese Sätze nicht schon als Charakterisierung von Sherlock Holmes niedergeschrieben worden, man müsste sie als Beschreibung für Stefan Hell und sein Forschungsprogramm reservieren. Hell ist tatsächlich ein Mann, dem sich die Welt im nahen, intimen Detail enthüllt. Er ist ein Forscher, der die Mikroskopie revolutioniert hat.

Mikrostrukturen vermessen

"Als ich Ende der 1980er-Jahre an der Universität Heidelberg dissertiert habe", erzählt der im rumänischen Banat aufgewachsene deutsche Physiker im Gespräch mit dem STANDARD, "habe ich mich mit der angewandten Mikroskopie beschäftigt. Damals arbeitete ich an der Vermessung von Mikrostrukturen auf Computerchips. Das war mir ein wenig zu technisch und ich dachte: Kann man hier auch etwas Fundamentaleres machen? Da kam ich auf die Idee, dass man die mehr als 100 Jahre alte Beugungsgrenze knacken könnte. Viele dachten, das Gesetz sei in Stein gemeißelt. Ich hatte das Gefühl: Das hat man nicht zu Ende gedacht." Mit "Beugungsgrenze" ist ein Naturgesetz gemeint, das der deutsche Physiker Ernst Abbe im Jahr 1873 veröffentlicht hat. Es besagt, dass dem Auflösungsvermögen von Mikroskopen durch die Beugung von Licht eine natürliche Grenze gesetzt ist. Mikroskope können nur Objekte auflösen, die in etwa so groß wie die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts sind. Das sind im besten Fall 200 Nanometer.

Zu Beginn war es nur Intuition. Hell lebte nach seiner Dissertation für kurze Zeit als freier Erfinder, denn mit seinen Ideen fand er in Deutschland keinen Job. In Finnland war er schließlich erfolgreich. Dort herrschte Anfang der 90er-Jahre Aufbruchstimmung, Nokia schwang sich gerade auf, ein Weltkonzern zu werden, das Land bereitete sich auf den EU-Beitritt vor und in der Wissenschaft hatte man offene Ohren für Leute wie Hell – Forscher, die etwas fundamental Neues machen wollten.

Abbe sollte mit seiner Prognose zwar Recht behalten – Licht ist aufgrund seiner Wellennatur in der Tat an die Unschärfe der Beugung gebunden -, aber es gibt eine Hintertür: Verwendet man fluoreszierende Farbstoffe, die das Licht für den Detektor liefern, dann fällt der Grenzbalken jenseits der Beugungszone. Solche Farbstoffe können nämlich durch Lichtsignale deaktiviert werden – und auf diese Weise lassen sich fast beliebig kleine fluoreszierende Regionen, "Pixel", in der Probe herstellen. Mit diesem Prinzip wären jedoch nur winzige Bilder auf schwarzem Grund möglich.

Hell kombinierte diese Idee daher mit dem Rasterprinzip, das etwa auch bei Rastertunnelmikroskopen zur Anwendung kommt: Man mache viele kleine Aufnahmen und setze sie hernach zu einer großen zusammen. Das Mikroskop tastet das Objekt – optisch – Schritt für Schritt ab und macht aus Mosaiksteinchen Bilder mit einer Auflösung, die früher als unmöglich angesehen wurde.

"Am Anfang", erinnert sich Hell, "haben die Leute gesagt: Der verspricht etwas, das er nie wird halten können. Damals bestand die Gefahr, dass ich als Aufschneider abgetan werde." Doch der Physiker hielt Wort. Mittlerweile hat das Sted-Mikroskop, wie seine Erfindung heißt, ein Auflösungsvermögen von bis zu acht Nanometern erreicht. Damit lassen sich auch einzelne Moleküle getrennt wahrnehmen.

Entscheidender Nachteil

Elektronenmikroskope sind dazu zwar auch imstande, aber sie haben einen entscheidenden Nachteil: Sie können nur Oberflächenstrukturen unbelebter Proben darstellen. Das Sted-Mikroskop indes macht das Innere lebendiger Zellen sichtbar – wer durch ein Sted-Mikroskop blickt, sieht Leben in Aktion.

Mittlerweile leitet Hell die Abteilung Nano-Biophotonik am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen. Am Montag hielt er auf Einladung des Austrian Institute of Technology (AIT) einen Vortrag in der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Seine Ideen haben sich längst in die Grundlagenforschung anderer Disziplinen übersetzt. Von der neuen Art der Mikroskopie wird unter anderem die Hirnforschung profitieren.

Hell hat mit seinen Mitarbeitern Knospen an den Dendriten von Nervenzellen sichtbar gemacht und ihren Gestaltwandel im Lauf der Zeit dokumentiert. Diese Knospen sind so etwas wie die neurologischen Atome des Lernens: Dort sitzen Synapsen, die auf eingehende Signale reagieren und – je nach Eingangsreiz – ihre Gestalt verändern.

Mit der Sted-Mikroskopie könnte man auch darstellen, was Lernen auf Molekülebene im Gehirn auslöst. Im Prinzip könnte man mit dieser Technologie sogar die Struktur von Atomen sichtbar machen. Das mag Zukunftsmusik sein, aber eine mit realistischem Grundton. Zu diesem Ergebnis kam auch eine Jury für Spitzenforschung: Sie verlieh Hell 2006 den deutschen Zukunftspreis. Die Mikroskopie wird in Zukunft wohl in "Nanoskopie" umbenannt werden. (Robert Czepel/DER STANDARD, Printausgabe, 29.06.2011)

  • Der Deutsche Stefan Hell entwickelte ein neuartiges Mikroskop.
    foto: standard/corn

    Der Deutsche Stefan Hell entwickelte ein neuartiges Mikroskop.

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