Sted-Mikroskopie Scharfer Blick in die Nanowelt

Eine neue Generation hochauflösender Lichtmikroskope revolutioniert die Biologie: Erstmals können die Forscher auch molekulare Strukturen in lebenden Zellen beobachten. Eine neue Welt tut sich auf.
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Menschliche Zellen mit einem normalen Fluoreszenz-Mikroskop aufgenommen: Das Zell-Skelett ist grau und rot markiert. Der Zellkern leuchtet blau und die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle, grün. Seit 1873 galt in der Mikroskopie das Abbe'sche Gesetz - alles, was kleiner als 200 Nanometer ist, war in einem Lichtmikroskop nicht sichtbar.

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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Das Sted-Mikroskop von Stefan Hell durchbrach erstmals die kritische Abbe'sche Grenze und macht Dinge in lebenden Zellen sichtbar, die kleiner sind als 200 Nanometer.

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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Menschliche Zelle, normale Fluoreszenz-Mikroskopie (grün: Mitochondrien, rot: Zell-Skelett): Mitochondrien beispielsweise, die Kraftwerke der Zelle, waren in herkömmlichen Mikroskop-Aufnahmen nur als kleine Flecken zu erkennen.

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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Pflanzenzelle, normale Fluoreszenz-Mikroskopie (grün: Mitochondrien, rot: Chloroplasten): Damit aber blieb eine ganze Welt verborgen.

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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Aufnahme des H1N1-Virus mit einem Elektronenmikroskop: Kleinere Strukturen im Inneren von Zellen oder auch Viren konnte man bislang nur mit einem Elektronenmikroskop sehen. Dafür aber muss man die Objekte abtöten und fixieren. Ein Blick in eine lebende Zelle ist mit einem Elektronenmikroskop nicht möglich.

Foto: CDC
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Das Zell-Skelett, aufgenommen mit einem normalen Fluoreszenzmikroskop...

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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... noch einmal mit einem Sted-Mikroskop. Die neue Technik macht Auflösungen von 10 bis 50 Nanometern möglich. Erfinder Hell will sogar noch kleinere Objekte sichtbar machen.

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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Ein einzelnes der vielen Mitochondrien der Zelle mit normaler Mikroskopie aufgenommen....

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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... und noch einmal mit Sted: Deutlich zu sehen einzelne Proteine in der Außenhülle des Mitochondriums, die mit einem Fluoreszenz-Farbstoff angefärbt wurden. Mit Hilfe der Sted-Mikroskopie können Biologen nun in der lebenden Zelle Mitochondrien genau untersuchen. Sie wollen wissen, wo welche Proteine sind und wie sie sich verändern, beispielsweise beim Altern oder bei Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson.

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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Aufbau eines Mitochondriums: Die schlauchförmigen Gebilde sind für die Zelle enorm wichtig - sie sind die Kraftwerke und stellen die Energie aus der Nahrung für die Zelle bereit.

Foto: C.A. Wurm/ S. Jakobs/ MPI für biophysikalische Chemie
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Synapsen bei der Arbeit: Mit dem Sted-Mikroskop (rechte Aufnahme) kann man Nervenzellen auch bei der Arbeit zuschauen. Hier sieht man einzelne mit Hirnbotenstoffen gefüllte Vesikel in einer Synapse - der Verbindung zwischen zwei Nervenzellen. Der Pfeil zeigt die Vesikelbewegung innerhalb von 35 Millisekunden. Links die Aufnahme mit einem herkömmlichen Mikroskop.

Foto: S.W. Hell/ MPIbpc
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Die Sted-Mikroskopie (innen) liefert circa zehnmal schärfere Details von Strukturen einer Nervenzelle als ein herkömmliches Mikroskop (außen).

Foto: G. Donnert/ S.W. Hell
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Zwei-Farben-Sted-Aufnahme eines Glioblastoms, des häufigsten bösartigen Hirntumors bei Erwachsenen: Das Protein Clathrin ist grün, das Protein ß-Tublin ist rot angefärbt. Im Gegensatz zum verschwommenen klassischen Bild (links) zeigt das Sted-Bild (rechts) erheblich feinere Strukturen.

Foto: J. Bückers/ D. Wildanger/ R. Med
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Mikroskop-Erfinder Stefan Hell: "Ich wollte etwas Cooles machen, womit die Welt nicht rechnet"

Foto: R. Frommann