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Schärfer geht es nicht

Neues Mikroskop von Nobelpreisträger Stefan Hell Schärfer geht es nicht

Wissenschaftler um Nobelpreisträger Stefan Hell vom Göttinger Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie haben ein neues Fluoreszenzmikroskop entwickelt, Minflux genannt, mit dem sich Moleküle trennen lassen, die nur Nanometer (millionstel Millimeter) voneinander entfernt sind.

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Stefan Hell gemeinsam mit den Erstautoren der Studie Francisco Balzarotti, Yvan Eilers und Klaus Gwosch am Mikroskop.

Quelle: Irene Böttcher-Gajewski

Göttingen. Es ist der „Heilige Gral“ der Lichtmikroskopie: Das Mikroskop ist mehr als 100 Mal schärfer als herkömmliche Lichtmikroskopie und übertrifft selbst die bisher besten lichtmikroskopischen Methoden - das von Hell zuerst entwickelte Sted und das von Nobelpreiskollege Eric Betzig erfundene Palm/Storm - um das bis zu 20-Fache. Für Minflux nutzte Hell die Stärken von Sted und Palm/Storm in einem völlig neuen Konzept. Dieser Durchbruch eröffnet Wissenschaftlern grundlegend neue Möglichkeiten zu erforschen, wie Leben auf molekularer Ebene abläuft.

„Mit Minflux erreichen wir Auflösungen von einem Nanometer, das ist der Durchmesser einzelner Moleküle - die ultimative Grenze dessen, was in der Fluoreszenzmikroskopie möglich ist“, erklärt Hell, Direktor am MPI für biophysikalische Chemie. „Ich bin überzeugt, dass Minflux-Mikroskope das Zeug dazu haben, eines der grundlegendsten Werkzeuge der Zellbiologie zu werden. Mit diesem Verfahren wird es in Zukunft möglich sein, Zellen molekular zu kartografieren und schnelle Vorgänge in ihrem Inneren in Echtzeit sichtbar zu machen. Das könnte unser Wissen über die molekularen Abläufe in lebenden Zellen revolutionieren.“

Sowohl Sted als auch Palm/Storm trennen benachbarte fluoreszierende Moleküle, indem sie diese nacheinander an- und ausschalten und so sequenziell zum Leuchten bringen. Die beiden Methoden unterscheiden sich aber in einem wesentlichen Punkt: Die Sted-Mikroskopie setzt einen Donut-förmigen Laserstrahl ein, um das Leuchten der Moleküle an genau festgelegten Koordinaten zu unterdrücken. Der Vorteil: Durch den definierten Donut-Strahl weiß man präzise, an welchem Punkt im Raum sich das gerade leuchtende Molekül befindet. Der Nachteil: Den Laserstrahl kann man in der Praxis nicht stark genug machen, um nur ein einziges Molekül anzusteuern. Bei Palm/Storm hingegen erfolgt das An- und Ausschalten an zufälligen Orten Molekül für Molekül - mit dem Vorteil, dass man bereits auf der Ebene einzelner Moleküle arbeitet, aber auch dem Nachteil, dass man deren genaue Positionen nicht kennt und erst herausfinden muss. In der Praxis lässt sich so routinemäßig keine molekulare Auflösung erreichen.

Hell hatte die Idee, die Stärken beider Techniken in einem neuen Konzept zu verbinden. „Diese Aufgabe war alles andere als trivial. Aber meine Mitarbeiter Francisco Balzarotti, Yvan Eilers und Klaus Gwosch haben hervorragende Arbeit geleistet und die Idee experimentell mit mir umgesetzt.“ Ihre neue Technik Minflux (von englisch minimal emission fluxes, minimale Emissionsflüsse) stellt Hell nun mit den drei Nachwuchswissenschaftlern als Erstautoren im Fachjournal Science vor.

MINFLUX schaltet - wie Palm/Storm - einzelne Moleküle zufällig an und aus. Gleichzeitig bestimmt es aber - wie Sted - deren exakte Position mit einem Donut-förmigen Laserstrahl, der im Gegensatz zu STED nicht zum Abregen, sondern zum Anregen der Fluoreszenz benutzt wird. Liegt das Molekül auf dem Donut-Ring, so leuchtet es; liegt es exakt in seinem dunklen Zentrum, so leuchtet es nicht, doch man hat seine genaue Position gefunden. Damit diese Position mit höchster Präzision schnell bestimmt werden kann, entwickelte Balzarotti einen ausgeklügelten Algorithmus. Gwosch, dem die Aufnahme der molekular aufgelösten Bilder gelang, sagt: „Es war ein unglaubliches Gefühl, als wir zum ersten Mal mit Minflux Moleküle auf der Skala von wenigen Nanometern unterscheiden konnten.“ r

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