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05.02.2010

 

Stefan Hell, Direktor am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, hat zum Geburtstag ein Mikroskop bekommen. Seine knapp fünfjährigen Zwillingssöhne haben es gebastelt, mit einer Taschenlampe als Lichtquelle.

Im Keller seines Instituts steht ein anderes Mikroskop, und darauf ist Hell fast ebenso stolz. Geschützt ist es durch eine Lichtschleuse, die verhindert, dass Besucher unvermittelt hereinplatzen und die empfindlichen Messungen stören, denn die brauchen beinahe völlige Dunkelheit.

Es handelt sich um ein sogenanntes Sted-Mikroskop, und Physiker Hell, 47, hat es selbst erfunden. Der besondere Clou: Eigentlich dürfte es dieses Gerät gar nicht geben.

"Ich wollte etwas Cooles machen, womit die Welt nicht rechnet", erklärt Hell. Schon als Doktorand an der Uni Heidelberg hatte er sich in den Kopf gesetzt, ein scheinbar allgemein geltendes Gesetz der Optik zu überlisten.

Erstmals formuliert im Jahre 1873, ist es unter dem Namen Abbe'sche Theorie fast in jedem Physik-Lehrbuch zu finden. Es beschreibt die Grenze optischer Mikroskope: Bei 200 Nanometer Auflösung - das ist ein fünftausendstel Millimeter - ist Schluss. Punkte, die näher zusammenliegen, verschmelzen selbst im leistungsstärksten Lichtmikroskop zu einem verwaschenen Fleck.

Die molekulare Welt im Innern der Zellen, so glaubte man auch noch gut hundert Jahre nach Ernst Abbe, bleibt dem Lichtmikroskop damit für immer verborgen. Mit modernen Elektronenmikroskopen kann man zwar sogar 0,1 Nanometer kleine Strukturen sichtbar machen, doch mit solchen Geräten können die Lebenswissenschaftler nur totes Gewebe untersuchen: Elektronenmikroskope funktionieren nur im Vakuum, und die Proben müssen dauerhaft fixiert sein.

Weniger als zehn Nanometer große Details sind nun sichtbar

Das grundlegende Problem aller optischen Mikroskope ist das Licht: Es schwingt, je nach Farbe, mit einer Wellenlänge von einigen hundert Nanometern. Objekte, die deutlich kleiner sind, bleiben stets unscharf.

Hell beschloss nun, in völliger Finsternis mit einem extrem feinen Lichtstrahl über seine Probe hinwegzustreichen. Punkt für Punkt wollte er sie so zum Leuchten bringen und anschließend aus all diesen Punkten das Mikroskopbild zusammensetzen.

Gelöst hatte er das Dilemma damit allerdings noch nicht. Die Kunst bestand nun darin, einen Scheinwerfer zu bauen, der möglichst punktgenau strahlt. Und auch hier stand Hell die Physik im Wege: Stärker als auf die halbe Wellenlänge lässt sich Licht selbst im besten Laser nicht bündeln.

Und doch ist es dem Forscher gelungen, die Natur zu überlisten: In raffinierter Weise legte er zwei Lichtstrahlen so übereinander, dass der eine die Wirkung des anderen zu einem großen Teil auslöscht. So kann Hell inzwischen sogar weniger als zehn Nanometer große Details sichtbar machen.

Vor gut zwei Jahren brachte Leica Microsystems das erste kommerzielle Sted-Mikroskop auf den Markt. "Das ist unser Flaggschiff-Produkt", erklärt Stefan Traeger, verantwortlich für den Bereich Life Science bei Leica.

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• 1. Teil: Liveschaltung ins Mäusehirn
• 2. Teil: "Neue Ära in der Zellbiologie"