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Chemie-Nobelpreis 2014: Messerscharfer Blick ins Innerste des Lebens

Von

AFP

Kann man Moleküle in lebenden Zellen bei der Arbeit zusehen? Fast ein Jahrhundert lang galt das als unmöglich - doch drei Forscher ließen sich davon nicht abschrecken. Für ihre neue Mikroskopie-Methode bekommen sie nun den Chemie-Nobelpreis.

Das Vorhaben war verwegen, nicht wenige hielten einen Erfolg für ausgeschlossen: Der deutsche Physiker Stefan Hell war nach seiner Promotion in Heidelberg an die Universität Turku nach Finnland gewechselt, um eine fundamentale Grenze zu knacken: das Auflösungslimit optischer Mikroskope. "Ich wollte etwas Cooles machen, womit die Welt nicht rechnet", sagte Hell 2010 dem SPIEGEL.

Im Jahr 1873 hatte Ernst Abbe entdeckt, dass Lichtmikroskope zwei Objekte nicht mehr voneinander unterscheiden können, sobald ihr Abstand kleiner ist als die halbe Lichtwellenlänge, also etwa 200 Nanometer. Schuld ist die Beugung des Lichts an den beiden Objekten, wodurch sie im Auge des Beobachters zu einem Objekt verschwimmen.

Doch weder Stefan Hell, inzwischen Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, noch die beiden US-Forscher Eric Betzig und William Moerner ließen sich davon beeindrucken. Sie konnten Abbes Gesetz zwar nicht außer Kraft setzen - aber sie fanden Wege, es zu umgehen. Für die Entwicklung der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie bekommen sie 2014 den Chemie-Nobelpreis.

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Nobelpreise für Chemie: Helden der Mikroskopie
Dank der Mikroskopie-Technik können Mediziner nun tief in Zellen blicken und Abläufe auf molekularer Ebene verfolgen - ein enormer Fortschritt. "Das ist wichtig, um beispielsweise Krankheiten auf molekularer Ebene zu verstehen", sagt Hell. Zwar bieten Elektronenmikroskope schon lange eine deutlich höhere Auflösung als optische Mikroskope, doch wegen der starken Elektronenstrahlung kann man mit ihnen kein lebendes Gewebe untersuchen.

"Das Auflösungslimit hat mich interessiert", erklärte Hell auf der Pressekonferenz des Nobelkomitees, wo er per Telefon zugeschaltet war. "Kann man das überwinden?" Ihm sei klar gewesen, dass man allein mit einer Änderung der Lichtwellenlänge nicht weiterkommt. "Man muss mit den Molekülen spielen."

Der Trick, den Hell nutzt, beruht auf Fluoreszenz. Ein Lichtstrahl regt das zu beobachtenden Molekül an, Licht auszusenden. Ein zweiter Lichtstrahl wird diesem hinterhergeschickt, der genau das Gegenteil tut: Er bringt die vom ersten Strahl angeregten Moleküle wieder zur Ruhe, damit sie nicht mehr leuchten.

Dieser zweite Strahl hat jedoch in der Mitte ein Loch - die dort befindlichen Moleküle werden nicht abgeregt. Nur sie sieht man dann im Mikroskop. Beide Strahlen rastern das Objekt Stück für Stück ab. So entsteht ein Bild mit einer Auflösung weit oberhalb des Abbe-Limits. Die von Hell im Jahr 2000 entwickelte Methode heiß Stimulated Emission Depletion (STED).

Fluoreszierende Proteine eingeschleust

Eric Betzig und William Moerner arbeiteten unabhängig voneinander an einem anderen Verfahren - der Einzelmolekül-Mikroskopie (Single Molecule Microscopy). Auch dabei spielt Fluoreszenz die entscheidende Rolle. Moerner, inzwischen Professor an der Stanford University, hatte 1997 mit dem sogenannten grün fluoreszierenden Protein (GFP) experimentiert. Es stammt von einer Qualle und leuchtet bei Anregung mit blauem oder ultraviolettem Licht grün. Mit Gentechnik können Forscher das GFP in andere Proteine einschleusen und so Abläufe in Zellen verfolgen. Für die Entdeckung des Leuchtproteins gab es bereits 2008 den Chemie-Nobelpreis für Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Tsien.

Moerner fand heraus, dass man die Fluoreszenz einer GFP-Variante an- und abschalten konnte - durch Bestrahlung mit Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge. Betzig schließlich hatte die Idee, mit Molekülen zu arbeiten, die bei unterschiedlichen Wellenlängen fluoreszieren. Durch mehrere Aufnahmen eines Objektes nacheinander bei unterschiedlichen Wellenlängen lässt sich nämlich ebenfalls das von Abbe beschriebene Auflösungslimit umgehen. Legt man alle Einzelaufnahmen des Objekts übereinander, kann man plötzlich bis in die molekulare Ebene blicken.

Das Nobel-Komitee bezeichnete die Arbeiten der drei Wissenschaftler als "bahnbrechend". Sie hätten die optische Mikroskopie in die Nanowelt geführt. Theoretisch gibt es nicht einmal mehr ein Auflösungslimit, die Methoden wurden und werden immer mehr verfeinert, um noch detaillierter in lebende Zellen zu schauen.

Nobel-Komitee-Mitglied Claes Gustafsson sprach von einer "Revolution". Noch vor 15 Jahren habe es als unmöglich gegolten, die Abbesche Auflösungsgrenze zu überschreiten. "Vorher konnten wir von Bakterien nur die Konturen erkennen", so Gustafsson. "Jetzt können wir in das Innere von Bakterien schauen und so winzige Dinge wie einzelne Moleküle erkennen."

Das ermögliche es, "molekulare Prozesse in Echtzeit zu verfolgen", sagte Sven Lidin, der Vorsitzende des Nobel-Komitees für Chemie. Nun sei es möglich zu erkennen, wie aus Erbinformationen Proteine entstehen und wie die Eiweiße aufeinander wirken, um Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Krebs auszulösen. Mit Fluoreszenz-Mikroskopen lässt sich auch beobachten, wie aus einer befruchteten Eizelle ein menschliches Embryo wird. "Sogar die strukturellen dynamischen Veränderungen von Neuronen im Gehirn, die während Lernprozessen stattfinden", könne man mit den neuen Teleskopen verfolgen, sagte Lidin.

Mit Stefan Hell hat Deutschland 2014 wieder einen eigenen Nobelpreisträger im Fach Chemie. Zuletzt war dies 2007 Gerhard Ertl geglückt. "Nicht nur für die Chemie in Deutschland ist das ein Glückstag", sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka. Sein Nobelpreis zeige, "dass die deutsche Wissenschaft Weltspitze ist".

Mit Material von AP und Reuters

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1. TOP Ergebnis Gratulation von mir
reiry01 08.10.2014
Der Nobelpreis war schon lange nötig da dies wirklich auch ein anwendungsnaher Forschungsbereich ist. Und es gibt derzeit auch schon bahnbrechende Ergebnisse da Leica Mikrosystem dieses Mikroskope (sogar als 3D STED Variante) eben auch vertreibt. Das STED Mikroskope als Produkt entstand mit einer Zusammenarbeit zwischen Hells Gruppe im Max Plank Institut und Leica Microsystem. Ein Ergebnis wie es sein kann wenn Industrie und Forschung auf einander zugehen können, die Rahmenbedingungen da sind (auch gewährleistet sind in Form von Förderung DFG etc.) und natürlich auch unter einem persönlichen Einsatz umgesetzt werden. Forschung auf sehr hohen Level ist auch in Deutschland möglich. TOP Ehrung auch von mir Herzlichen Glückwunsch Pr. Dr. Stefan Hell.
2. ...
Newspeak 08.10.2014
"Nicht nur für die Chemie in Deutschland ist das ein Glückstag", sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka. Sein Nobelpreis zeige, "dass die deutsche Wissenschaft Weltspitze ist". Ja, ja, redet euch das nur ein, auch wenn es nicht stimmt. Freut euch über einen Nobelpreisträger, der GEGEN euch erfolgreich war, nicht wegen euch. Vielleicht kann man die Ablenkung durch diese gute Nachricht ja nutzen, um schnell noch irgendwo Geld einzusparen an den Unis. Noch ein paar Mittelbaustellen kürzen, ein paar Postdocs und Juniorprofessoren rauswerfen z.B.
3. Mut zum Studium
mit66jahren 08.10.2014
Es klingt fast wie ein Kochrezept: Man kombiniere die Lichtmikrospie mit der Laser- und Computertechnik und schon kann man in einen neuen Bereich vorstoßen. Man braucht eigentlich "nur" Ideen und einen wissenschaftlichen Background, um bestehende Grenzen zu überwinden. Ich glaube, es gibt noch einige davon, die auf ähnliche Art passiert werden können. Stefan Hell wird den jungen Leuten auf alle Fälle Mut zum naturwissenschaftlichen Studium machen.
4.
BlakesWort 08.10.2014
Herzlichen Glückwunsch! Leider wieder mal ein deutscher Forscher, der nach der Promotion ins Ausland wechselt und dort eine bahnbrechende Entdeckung macht. Die Erfindung selbst hört sich gar nicht so kompliziert an, mehr so, als hätte jemand einen Geistesblitz gehabt und das dann einfach mal umgesetzt. Cool!
5. wow
ffmls 08.10.2014
Herzlichen Glückwunsch, toll dass Einfallsreichtum, Bildung und Mut hier den Preis abräumen. Weiter so, es gibt sicher noch sooo viel zu entdecken.
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Preisträger 2013


Ehrung mit Weltrang - die Nobelpreise
Der Stifter
Mit der Stiftung der Nobelpreise wollte der schwedische Forscher und Großindustrielle Alfred Nobel (1833-1896) einen Konflikt lösen, der sein Leben bestimmte: Der Dynamit-Erfinder konnte nicht verwinden, dass seine Entdeckung für den Krieg genutzt wurde. Als "Wiedergutmachung" vermachte er sein Vermögen einer Stiftung, aus deren Zinsen Preise für jene finanziert werden sollten, die "im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben". Nobel selbst hatte mehr als 350 Patente angemeldet.
Die Auszeichnungen
Die Preise werden seit 1901 vergeben. Die Dotierung stieg von anfangs 150.800 Kronen auf zehn Millionen Kronen (eine Million Euro), wurde 2012 aber wegen der Wirtschaftskrise wieder auf acht Millionen Kronen gesenkt. Bis zu drei Menschen können sich einen wissenschaftlichen Preis teilen. Der Friedensnobelpreis wird auch an Organisationen verliehen. Höhepunkt ist stets die feierliche Verleihung der Auszeichnungen am 10. Dezember, dem Todestag von Nobel.
Die Kategorien
Die Preisträger für Physik und Chemie werden immer von der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die der Medizin vom Karolinska-Institut in Stockholm und die Literaturpreisträger von der Königlich-Schwedischen Akademie der Künste ausgewählt. Die Friedenspreisträger bestimmt ein Ausschuss des norwegischen Parlaments in Oslo.
Die Alternativen
Neben den eigentlichen Nobelpreisen wird seit 1969 eine Ehrung für Wirtschaftswissenschaften in Gedenken an Alfred Nobel verliehen. Sie wurde 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet. Seit 1980 vergibt die "Stiftung zur Auszeichnung richtiger Lebensführung" (Right Livelihood Award Foundation) die Right Livelihood Awards, die oft als alternative Nobelpreise bezeichnet werden.

Chemie-Nobelpreis/ Nobelpreisträger
2015
2014
2013
2012
2011
Daniel Shechtman (Israel) für seine bahnbrechenden Erkenntnisse im Bereich der Kristallforschung.
2010
Richard Heck (USA), Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki (beide Japan) für die Verbindung von Kohlenstoffatomen zu komplexen Molekülen.
2009
Venkatraman Ramakrishnan (Großbritannien), Thomas A. Steitz (USA) und Ada E. Yonath (Israel) für die Studien zur Struktur und Funktion des Ribosoms.
2008
Osamu Shimomura (Japan), Martin Chalfie und Roger Tsien (beide USA) für die Entdeckung und Weiterentwicklung des grün fluoreszierenden Proteins.
2007
Gerhard Ertl (Deutschland) für seine Studien von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen. Gerhard Ertl im SPIEGEL-Gespräch über seinen Weg zum Erfolg.
2006
Roger D. Kornberg (USA) für seine Arbeiten über die molekularen Grundlagen der Gentranskription in eukaryotischen Zellen.
2005
Yves Chauvin (Frankreich), Robert Grubbs und Richard R. Schrock (beide USA) für die Entwicklung der Metathese-Methode in der organischen Synthese.
2004
Aaron Ciechanover , Avram Hershko (beide Israel) und Irwin Rose (USA) für die Entdeckung des Ubiquitin-gesteuerten Proteinabbaus.
2003
Peter Agre und Roderick MacKinnon (beide USA) für seine strukturellen und mechanischen Studien von Ionenkanälen in Zellmembranen.
2002
John B. Fenn (USA) und Koichi Tanaka (Japan)für ihre Entwicklung von weichen Desorptions-/Ionisations-Methoden für massenspektrometrische Analysen von biologischen Makromolekülen sowie Kurt Wüthrich (Schweiz) für seine Entwicklung der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur von biologischen Makromolekülen in Lösungen.
2001
William S. Knowles (USA) und Ryoji Noyori (Japan) für ihre Arbeiten über chiral katalysierende Hydrierungsreaktionen sowie Barry Sharpless (USA) für seine Arbeiten über chiral katalysierende Oxidationsreaktionen.
2000
Alan J. Heeger (USA), Alan MacDiarmid (USA/Neuseeland) und Hideki Shirakawa (Japan) für die Entdeckung und Entwicklung von leitenden Polymeren.
1999
Ahmed Zewail (Ägypten und USA) für seine Studien des Übergangszustands chemischer Reaktionen mit Hilfe der Femtosekundenspektroskopie.

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