HELMHOLTZ-PREIS 2001 (Preisverleihung am 25.06.2001)
Dr. Stefan W. Hell, Dr. Thomas A. Klar für die Arbeit „Durchbruch der Auflösungsgrenze in der Fernfeld-Fluoreszenzmikroskopie (STED-Mikroskopie)“

Preisträger 2001: Schärfere Bilder mit dem Lichtmikroskop

(re.) Dr. Thomas Klar, (2.v.r.) Prof. Dr. Stefan Hell

Stefan Hell wurde 1962 in Arad (Rumänien) geboren. Er studierte von 1981 bis 1987 Physik in Heidelberg und promovierte dort 1990. Anschließend arbeitete er als freier Erfinder, forschte dann von 1991 bis 1993 am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium in Heidelberg und von 1993 bis 1996 in Oxford und an der Universität Turku in Finnland, wo er die Idee zur STED-Mikroskopie hatte. Er habilitierte 1996 in Heidelberg und ging zum Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen, wo er seit 2002 Direktor und Leiter der Abteilung NanoBiophotonik ist. 2014 wurde ihm der Nobelpreis für Chemie verliehen.

Thomas Klar, geb. 1970 in Kösching in Bayern, studierte Physik an der Universität München. Er promovierte 2001 an der Universität Heidelberg mit einer Arbeit zur STED-Lithographie, die er bei Stefan Hell in Göttingen angefertigt hatte. 2007 habilitierte er in München und wurde an die TU Ilmenau berufen. Seit 2010 ist er Universitätsprofessor an der Universität Linz.

Das Lichtmikroskop ist für die Biologie und die Medizin ein unverzichtbares Instrument. Anders als das Elektronenmikroskop oder das Rasterkraftmikroskop kann es tief ins Innere von biologischen Zellen schauen, und im Gegensatz zum Röntgenmikroskop tötet das Lichtmikroskop die beobachteten Zellen nicht ab. Doch lange schien es, als ließen sich mit dem Lichtmikroskop keine Details sichtbar machen, die kleiner als 200 Nanometer sind, was für die anderen genannten Mikroskope kein Problem ist.

Der Grund für diese Beschränkung liegt in der 1873 von Ernst Abbe gefundenen Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops, das zwei Objekte nur dann voneinander trennen kann, wenn ihr Abstand nicht kleiner ist als die halbe Wellenlänge des zur Abbildung benutzen Lichtes. Sind die Objekte jedoch mit fluoreszierenden Molekülen markiert, so kann man unter Einbeziehung der Molekülzustände bei der Bilderzeugung die Abbesche Auflösungsgrenze aufheben. Dies gelang Dr. Stefan Hell und Dr. Thomas Klar vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen. Für ihre Arbeit wurden sie mit dem Helmholtz-Preis 2001 ausgezeichnet.

Bei der von Stefan Hell und Thomas Klar entwickelten STED-Mikroskopie (STED steht für Stimulated Emission Depletion oder stimulierte Emissionslöschung) können die fluoreszierenden Moleküle, die auf dem abzubildenden Objekt sitzen, in einem hellen oder einem dunklen Zustand sein. Ein fokussierter grüner Laserstrahl bringt sie vom dunklen in den hellen Zustand, sodass sie fluoreszieren. Normalerweise werden dabei alle Moleküle im Laserlichtfleck angeregt, der stets größer ist als die halbe Laserwellenlänge.

Doch die beiden Forscher fanden einen Weg, den leuchtenden Bereich wesentlich kleiner zu machen. Dazu werden die Moleküle zusätzlich mit einem fokussierten roten Laserstrahl belichtet, dessen räumliches Intensitätsprofil man so verändert hat, dass sein Lichtfleck die Form eines Rings aufweist, mit einem winzigen dunklen Loch im Zentrum. Werden der grüne und der rote Lichtfleck übereinander gelegt, so können die Moleküle im Loch des Rings weiterhin fluoreszieren. Doch die weiter außen liegenden Moleküle werden vom roten Licht durch stimulierte Emission vom hellen in den dunklen Zustand gebracht, sodass ihre Fluoreszenz unterdrückt wird. Auf diese Weise entsteht ein fluoreszierender Bereich, der kleiner als 20 nm sein kann.

Indem die Forscher ein Untersuchungsobjekt mit den beiden übereinander liegenden Lichtflecken abrasterten und die auf ihm sitzenden Moleküle nacheinander zum Leuchten brachten, erzeugten sie eine Abbildung, die die Abbesche Auflösungsgrenze weit unterbot und 20 nm große Details sichtbar machte. Inzwischen haben Hell und seine Mitarbeiter andere hochauflösende Verfahren der Lichtmikroskopie entwickelt, die ohne stimulierte Emission arbeiten. Bei ihnen regt der ringförmige Laserstrahl die außerhalb des Lochs liegenden Moleküle aus dem hellen in einen dunklen Zustand an, in dem sie geparkt werden. Da man die verschiedenen Organellen in einer biologischen Zelle mit geeigneten fluoreszierenden Molekülen markieren kann, lassen sich mit den neuen Verfahren lichtmikroskopische Aufnahmen und sogar Filme von lebenden Zellen machen, die eine unerreichte Detailfülle aufweisen und für die Zellbiologie von unschätzbarem Wert sind. Thomas Klar und seine Mitarbeiter an der Universität Linz arbeiten derzeit daran, das Prinzip der STED-Mikroskopie auf die optische Lithographie zu übertragen.

Literatur

Thomas A. Klar and Stefan W. Hell: Subdiffraction resolution in far-field fluorescence microscopy. Optics Letters 24, (1999), 954

T. A. Klar et al: Fluorescence microscopy with diffraction resolution barrier broken by stimulated emission. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, (2000), 8206

Stefan W. Hell: Nanoskopie mit fokussiertem Licht. Physik Journal, Dezember 2007, S. 47