Die „Süddeutsche Zeitung“ porträtierte jetzt die Chemie-Nobelpreisträger, die mit ihrer Erfindung die Gesetze der Optik ausgetrickst haben und Strukturen sichtbar machen können, die kleiner sind als die Lichtwellenlänge. Dies schien lange Zeit unmöglich.
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Chemie-Nobelpreis: Das Prinzip der Einzelmolekül-Mikroskopie (Illustration: © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)
Das Zauberwort der Lichtdirigenten heißt Nanoskopie, mit dem eine Technik beschrieben wird, mit der kleinste Dinge via Licht abgebildet werden können. Mikroskope können herkömmlicherweise höchstens Zellen sichtbar machen, Nanoskopie hingegen lassen Moleküle erkennen, und zwar nicht an fixierten und isolierten Objekten, wie man es von der Elektronenmikroskopie gewohnt ist, sondern am lebenden Organismus. Måns Ehrenberg vom Stockholmer Nobelkomitee erklärte, dass dies bisher unerreichbare und neue Einblicke erlaube. „Mit dieser Erfindung wird sich die Medizin und Biologie revolutionär entwickeln“, adelte Ehrenberg die diesjährigen Preisträger im Fach Chemie.
Gewürdigt wurden dabei zwei verschiedene Nanoskopie-Techniken bzw. ihre Erfinder. Dazu gehört auch der deutsche Forscher Stefan Hell, seines Zeichens Direktor des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen. Er stand schon lange bei Experten für die Auszeichnung auf dem Zettel, allerdings eher im Bereich Physik. Bei seinem Arbeitgeber, der Max-Planck-Gesellschaft sowie in seinem Institut war man schon vor der Präsentation des Physikpreises darauf vorbereitet, sich gegen den möglichen Medienansturm und die Glückwünsche zu wappen. Nach der Physik-Enttäuschung konnte die Pressestelle am 2. Oktober das Material dann doch noch benutzen.
Nachdem die Auszeichnung bekannt geworden war, erklärte Hell der „Süddeutschen Zeitung“, dass das Problem tatsächlich vordergründig physikalisch sei, da es um die Beugungsgrenze von Licht gehe. „Indem ich allerdings die Strukturen, die ich abbilden will, nach dem Zustand der Moleküle trennen will und nicht mehr mit Licht, habe ich dies umgangen“, so Hell. Deshalb kommt die Chemie in Spiel. Hell sei vom Anruf aus Stockholm überrascht gewesen, „zuerst habe ich das für einen Scherz gehalten, ich hatte nicht gewusst, dass dies ein so wichtiges Forschungsfeld ausmacht und mich natürlich riesig gefreut, dass ich die Auszeichnung bekommen habe. Mit dem Nobelpreis kann man natürlich nie rechnen.“
Vergleichbares gab auch einer der beiden weiteren Preisträger zu Protokoll. Erik Betzig vom Howard Hughes Medical Institute in Ashburn/Virginia weilte am Tag der Auszeichnung auf einer Konferenz im Helmholtz-Zentrum von München, das Thema war die Physik biologischer Systeme. Auch nach der aufregenden News, dass er den Chemie-Nobelpreis erhalten hatte, führte er seinen angekündigten Vortrag bezüglich des „Abbilden des Lebens mit hoher Auflösung“ unaufgeregt und professionell fort. Nikolaus Blum, Geschäftsführer des Helmholtz-Zentrums, stellte fest: „Das ist typisch für Betzig, dies zeichnet ihn aus. Er ist nicht auf PR aus, sondern geht auch an solch einem Freudentag seiner wissenschaftlichen Profession nach.“
Allerdings erst nach dem Betzig eine vom Glück berauschte und improvisierte Pressekonferenz inklusive Champagnerglas in der Hand gegeben hatte. Das Nobelkomitee hatte offensichtlich Probleme, Betzig zu erreichen, zu ihm war die Nachricht erst über seine Ex-Gattin bzw. seinem Filius durchgedrungen. Der Preisträger gab zu, dass ihn die Nachricht durchgeschüttelt habe. „Dennoch ist mein Ego groß genug, dass ich mir bewusst war, dass ich eventuell auf der Auswahlliste stehen werde. Trotzdem bin ich immer noch der gleiche Typ wie vorher, mit den gleichen Fehlern wie vor ein paar Stunden.“ Er meinte vor dem Anruf mit der Glücksnachricht aus der schwedischen Kapitale.
Unabhängig voneinander haben alle drei Forscher mit ihrer Erfindung eine physikalische Grenze übertreten bzw. umgangen, die Ernst Abbe 1873 in Lehrbüchern publizierte. Der deutsche Physiker hatte damals herausgefunden, dass Strukturen für ein Mikroskop nur dann differenziert werden können, wenn sie weiter voneinander entfernt liegen als die halbe Wellenlänge des benutzten Lichts. So sind blaue Lichtwellen ca. 0,4 µm (Mikrometer/Tausendstel Millimeter) lang, unter 0,2 µm funktioniert also nichts. Hier stieß die Mikroskopie an ihre Grenzen, niemand zog dies über 100 Jahre lang in Zweifel.
Schon in den 1990er beschäftigte sich Stefan Hell mit diesen Dingen, er machte sich zu Nutze, dass sich biologische Moleküle mit Zusatzstoffen punktgenau markieren lassen und nachleuchten (fluoreszieren), wenn sie auf Licht treffen. In seine Apparatur integrierte Hell einen Laser, der die Probe zu dieser Fluoreszenz anregte, fügte einen zweiten Laser hinzu, mit dem die Moleküle ihrer Erregung beraubt wurden, bevor sie leuchten konnten. Dieses Verfahren hat er deshalb Stimulated Emission Depletion (Sted), das Auslöschen angeregter Lichtemission. Hell konnte jetzt die zweite Lichtquelle so manipulieren, dass sie das Nachleuchten nur in einem sehr geringen Ausschnitts zuließ.
Dieser Bereich hingegen lässt sich auf wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) eingrenzen und war so nicht mehr an das Abbe-Limits gekettet. Im Jahr 2000 setzte Hell dann erstmals ein großes Bild aus vielen kleinen Elementen zusammen, die nacheinander aufgenommen worden waren. Alle waren besser aufgelöst als dazu je ein Lichtmikroskop in der Lage wäre. Mit der Intensität des auslöschenden Laserstrahls, die praktischerweise beliebig zu steigern ist, konnte die Intensität der Auflösung nach oben geschraubt werden. So übertrat Held die Schwelle zur Nanoskopie.
Diesen Weg gingen auch Betzig und der dritte Preisträger, sein Landsmann William Moerner von der kalifornischen Stanford Universität. Sie nämlich brachten Markierungsmoleküle einzeln zum Leuchten (jeweils in zufällig zusammengesetzten Gruppen, die im Abbe-Limit lagen und weit über die Probe verstreut waren), anschließend kombinierten sie die Aufnahmen. Behilflich war Moerners Erkenntnis, dass sich einige der Farbstoffe mit Lichtblitzen nicht nur aus-, sondern auch gezielt wieder einschalten lassen. So können die Leuchtmolekülgruppen kommod nacheinander aktiviert und die Aufnahmen übereinander gelegt werden, bis man ein ausreichend scharfes Bild erhält.
Die theoretische Methode für diese Technik skizzierte Betzig schon im Januar 1995, im Jahr 2006 machte er das Verfahren reif für die Anwendung. Danach zog er sich einige Zeit aus der Welt der Forschung zurück und heuerte dann als Chef der Innovationsabteilung in der Werkzeugfabrik seines Vaters wieder an. Die Wissenschaft weckte bei Betzig dann durch die Entwicklungen auf seinem ehemaligen Forschungsgebiet neues Interesse.
Als Kind hatte er freilich von etwas anderem geträumt, er wollte eigentlich Astronaut werden. „Ich bin mit Apollo aufgewachsen“, erinnert sich Betzig. „Doch mein Timing war nicht gut.“ Der älteste der drei Preisträger ist William Moerner (Jahrgang 1953). Recht jung ist er hingegen immer noch, wenn man die Standards des Nobelpreises anlegt. Moerner ist Spezialist für die fluoreszierenden Moleküle. Relativ schnell nach ihren Erfindungen wurden die drei Preisträger mit dem Nobelpreis gekürt. Während bei den Physikern rund 20 Jahre und den Medizinern bis zu 43 Jahre ins Land gingen, haben die Erfindungen von Hell und Co. noch keine 15 Jahre auf dem Buckel.
Für seine Arbeit hat Stefan Hell schon viele Preise erhalten. So gewann er 2006 den Deutschen Zukunftspreis, der erwies sich ähnlich wie bei den Physikern Peter Grünberg (Physik-Nobelpreis 2007) und Theodor Hänsch (Physik-Nobelpreis 2005) als wichtiger Indikator. Hänsch schaffte es weiland allerdings nur in die Nominierungsliste. Im September 2014 erhielt Hell dann den Kavli-Preis für Nano-Wissenschaften, die Jury war damals der Meinung, wie bemerkenswert es sei, dass Hells Technik die unmittelbare Beobachtung von dynamischen Prozessen in lebenden Zellen mit einer Auflösung im Nanomaßstab erlaube.
Doch für Hell steht nicht nur die Entwicklung der Methode im Fokus, das Verfahren verwendet er auch selbst für die Untersuchung von Körperzellen. Beispielsweise bezüglich der Kopplungsstellen von Neuronen bei lebenden Mäusen. Damit verarbeiten die Mäuse Sehimpressionen in ihrem Gehirn. Auch der guten Schulausbildung hat Hell sein Talent zu verdanken, in Ludwigshafen baute er sein Abitur, als Held 15 Jahre alt gewesen ist, siedelte seine Familie aus Rumänien nach Rheinland-Pfalz über. In Temesvar absolvierte Held deshalb in größten Teil seiner Gymnasium-Laufbahn. Held verrät, dass ihm diese Lehranstalt in Sachen Naturwissenschaften einen großen Vorsprung gegeben habe. Schriftstellerin Herta Müller (Literaturnobelpreisträgerin 2009) ging auf die gleiche Schule…