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Und es ward Licht! – Nobelpreis für Fluoreszenz-Nanoskopie

Der diesjährige Chemie-Nobelpreis geht unter anderem an Stefan Hell, der am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen forscht. Er wird ausgezeichnet für seine Erkenntnisse in der Fluoreszenz-Mikroskopie, die es erlauben, Einblicke bis in den Nano-Bereich zu erlangen.

“Göttingen ist das Mekka der Lichtmikroskopie”, warb vor einem Jahr ein Biochemie-Professor für den Wissenschaftsstandort an der Leine – und er sollte Recht behalten, wie nun die Königliche Schwedische Akademie der Wissenschaften mit dem Verleih des Nobelpreises in Chemie an den Göttinger bestätigte. Hell wurde zusammen mit Eric Betzig (Virginia, USA) und William Moderner (Stanford University, USA) “für die Entwicklung super-auflösender Fluoreszenz-Mikroskopie” ausgezeichnet.

Mit diesen Entdeckungen wurden Molekularmedizinern und -biologen sowie Biochemikern neue Instrumente im Kampf gegen Alzheimer oder Krebs an die Hand gegeben.

Die drei erarbeiteten unabhängig voneinander Ansätze um die bis dato physikalische Grenze der Auflösung von Lichtmikroskopen von 0,2 µm (200 nm) zu überwinden.

Abbes Formel zur Auflösungsgrenze eines Lichtmikroskops

Abbe, deutscher Physiker (1840-1905), war ein Genius auf dem Gebiet der Optik. 1873 postulierte dieser, dass die Auflösung eines Mikroskops höchstens die Hälfte der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, also ungefähr 200 nm, betragen kann.

Weil Licht und auch Atome im Nanobereich sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften hat, beginnt das Licht, das man zum Mikroskopieren benutzt, ab dieser Grenze mit dem zu untersuchenden Objekt zu interferieren.

(Stellt euch das Licht als Welle – oder sinus-Funktion – vor. Bei der Interferenz treffen zwei Wellen aufeinander, dabei löschen sich z.T. Wellenberge und -täler aus, so dass dort ein “lichtleerer Streifen” entsteht.)

Die Folge: ein unscharfes Bild durch Lichtbeugung (Diffraktion).

Dieser Umstand ist besonders bei der Fluoreszenz-Mikroskopie, die vor allem in den Biowissenschaften Anwendung findet, da man mittels dieser z.B. Proteine mit leuchtendem Farbstoff markieren und ihre Funktion in der lebenden Zelle nachvollziehen kann, hinderlich, denn das leuchtmarkierte Untersuchungsobjekt emittiert selbst Strahlung, so dass Interferenz einsetzt und zu Diffraktion führt.

Nano-Fluoreszenzmikroskopie nach Hell et al.

Die Forscher des MPI in Göttingen haben nun einen Ansatz entwickelt, dieses Problem zu umgehen, indem sie einen Trick anwenden.

Dabei wird der Fluoreszenzmarker, der das Zielprotein einfärbt, vorübergehend und lokal in einen nicht-leuchtenden Zustand überführt – sinnbildlich gesprochen wird ein Teil der Lampe ausgeschaltet -, sodass die Fläche der Fluoreszenz (Spot) kleiner als das Anregungslicht des Mikroskops ist.

Nun wird das Objekt mit dem Lichtmikroskop abgerastert, während der Spot über die gesamte Probe wandert. Ein Computer setzt dann die einzelnen Elemente, Momentaufnahmen ähnlich, zu einen Gesamtbild zusammen.

Der bekannteste Vertreter dieser Herangehensweise ist das STED-Verfahren. Beim “stimulated emission depletion”-Ansatz nutzt man die Eigenschaft von Fluoreszenz: Moleküle werden durch Photonenbeschuss (Belichtung) zum Leuchten angeregt. Dabei werden Elektronen des Moleküls auf ein höheres Energieniveau angehoben; kurze Zeit später fallen diese energiereicheren Elektronen aber wieder auf ihr Urspungsniveau zurück – und geben dabei die eben aufgenommenen Photonen wieder ab – und das sieht man als Leuchten.

Das dadurch entstehende Fluoreszenzlicht ist eindeutig vom stimulierenden Licht des Mikroskopes unterscheidbar und macht damit die Spot-Wanderung möglich.

Um es zu vereinfachen: Bei den “NanoBiophotonics” [MPI] wird die Probe nur so weit beleuchtet, dass das Anregungslicht des Mikroskopes nicht mit dem Fluoreszenzlicht des Objekts interferiert, sodass keine Diffraktion und damit keine Unschärfe entsteht.

Hier erklärt Hell seine Arbeit (englisch):

 

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