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08. Oktober 2014, 15:59 Uhr

Chemie-Nobelpreis 2014

Messerscharfer Blick ins Innerste des Lebens

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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.

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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