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Prof. Stefan Hell und seine Forschung

Ein Trick für den Blick in lebende Zellen Prof. Stefan Hell und seine Forschung

200 Nanometer sind die magische Grenze in der Lichtmikroskopie: Liegen gleichartige Objekte dichter als 200 Nanometer beieinander, sorgt die Beugung der Lichtstrahlen in herkömmlichen Mikroskopen für ein Bild, das sie optisch zu einem Objekt verschwimmen lässt.

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Quelle: Hinzmann

Göttingen. Prof. Stefan Hell fand als Erster einen Weg, das Abbesche Gesetz radikal zu unterlaufen. Ein Jahrzehnt dauerte es, bis dem Physiker der Durchbruch gelang: Mit der STED-Mikroskopie hat er ein völlig neues Verfahren in der Lichtmikroskopie entwickelt, das detaillierte Einblicke in den Nanokosmos lebender Zellen ermöglicht. In Zukunft möchte er mit STED noch tiefer in die Welt der Zelle blicken.

„Ich lass’ es, ich lass’ diese 200 Nanometer“: Manchmal hat der junge Physiker Hell das zu sich gesagt, wenn er mit seiner Forschung nicht weiter kam, wenn weder die nächsten Versuche noch die weitere Finanzierung gesichert waren. Aber aufgegeben hat der 1962 geborene Wissenschaftler auf seinem Weg von Heidelberg über Turku (Finnland) und schließlich Göttingen nicht. Am Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie begann er 1997 als Nachwuchsgruppenleiter – und erreichte hier sein Ziel. Seit 2002 leitet er dort die Abteilung „Nano Biophotonik“.

Hells Durchbruch gelang mit einem genialen Trick: Mit seiner STED-Mikroskopie werden eng benachbarte Details kurzfristig dunkel gemacht, und zwar so, dass sie nicht gleichzeitig, sondern nur nacheinander sichtbar sind. Auf diese Weise lassen sich heute Strukturen in lebenden Zellen mit einer bis zu zehnmal besseren Detailschärfe beobachten. Durch den STED-Strahl werden Moleküle am Rand des Lichtflecks ausgeschaltet, Moleküle im Zentrum können dagegen ungestört fluoreszieren. Mit einer bis zu zehnfach verbesserten Auflösung gegenüber herkömmlichen Mikroskopen lassen sich fluoreszenzmarkierte Proteinkomplexe mit einer Größe von nur 20 bis 50 Nanometern getrennt voneinander beobachten. „Rein theoretisch gibt es nach unten bis zum Molekül keine Grenze“, so der Physiker.

Anwendungsmöglichkeiten

Heute sagt Hell: „Im Nachhinein ist es so simpel“. Das ändert nichts daran, dass STED das erste physikalisch schlüssige Konzept war, das funktionierte und mit dem man zeigen konnte, dass die Beugungsgrenze überwindbar ist. Es ist eine grundlegende Entdeckung mit einem neuen Funktionsprinzip und mit eigener Philosophie. Mit seiner Forschung verfolgt Hell derzeit zwei Ziele: die ultrahochauflösende Fluoreszenzmikroskopie weiter voranzutreiben und molekulare Werkzeuge zu entwickeln, mit denen sich das STED-Verfahren weiter verbessern lässt.

Anwendungsmöglichkeiten gibt es viele: von der Festkörperphysik bis zur Erforschung von neurodegenerativen Erkrankungen. Zahlreiche Kooperationen der mit 70 Mitarbeitern besetzten Abteilung „Nano Biophotonik“ mit Forschergruppen verschiedenster Disziplinen und Wissenschaftlern aus vielen Ländern machen das deutlich. Das Team um Hell sucht derzeit Möglichkeiten, die Laserintensität zu verringern, um die empfindlichen Zellen zu schonen. Denn nicht alle zu untersuchenden Objekte vertragen die hohe Laserstrahlung, die STED benötigt. „Wenn wir bei niedrigerer Laserstrahlung eine hohe Auflösung erzielen können, sind wir wieder einen Schritt weiter“, erklärt Hell.

Ein wichtiges Hilfsmittel könnten fluoreszierende Proteine sein, die Hell in Zusammenarbeit mit seinem Kollegen Prof. Stefan Jakobs entwickelt. Sie fungieren als Sonden, die mit Lichtblitzen gezielt an- und ausgeschaltet werden können. Von diesen reversibel schaltbaren fluoreszierenden Sonden erhoffen sich die Wissenschaftler detaillierte Einblicke in das Innenleben lebender Zellen.

„Struktur und Dynamik von Mitochondrien“

Seit 2002 arbeitet der Biologieprofessor Jakobs am Institut daran, die lichtgetriebenen molekularen „Schalter“ zu perfektionieren. Damals wurde das Prinzip angezweifelt. „Niemand hat geglaubt, dass wir es schaffen“, erinnert sich der 1969 geborene Wissenschaftler. Dass er mit seinem Team die Arbeit erfolgreich fortsetzen konnte, ist für Jakobs einer der großen Vorteile, die die Max-Planck-Gesellschaft den Forschern bietet. Nach der Promotion 1999 am MPI für Züchtungsforschung in Köln wechselte Jakobs nach Göttingen in Hells Forschungsgruppe „Hochauflösende Mikroskopie“, wo er die Entwicklung der schaltbaren fluoreszierenden Proteine weiter vorantreibt.

Seit 2005 hat Jakobs am Institut eine eigene Forschungsgruppe „Struktur und Dynamik von Mitochondrien“. Um die schaltbaren fluoreszierenden Sonden zu erforschen, benötigt das Team von Jakobs viele Liter Escherichia coli-Bakterienkultur. Mit einem genetischen Trick werden die verbesserten molekularen Schalter dann an Ziel-Proteine in der Zelle gebunden. „Dank ihrer besonderen Fähigkeiten eröffnen diese Proteine ganz neue Möglichkeiten, das Innenleben von Zellen und Organellen zu erkunden“, erklärt Jakobs.

In seinem Team arbeiten überwiegend Biologen, „aber wir könnten diese Forschung nicht ohne die Hilfe von Physikern machen“, sagt Jakobs. Auch profitiere er von den fantastischen Möglichkeiten der Zusammenarbeit, die der Max-Planck-Campus biete. „Ohne die enge Zusammenarbeit innerhalb der Abteilung ,NanoBiophotonik‘ und mit anderen Forschungsgruppen am Institut wäre das alles nicht möglich gewesen“, ist sich Jakobs sicher.

„Extrem spannende Zeiten"

Jakobs selbst setzt die schaltbaren fluoreszierenden Proteine ein, um Mitochondrien im Detail zu untersuchen. Was sich in ihrem Inneren abspielt, ist kaum bekannt. Mitochondrien sind so winzig klein, dass sich ihre innere Struktur bisher nur mit Elektronenmikroskopen untersuchen lässt. Die Zellen müssen dafür fixiert und in hauchdünne Scheiben geschnitten werden. Lichtmikroskope erlauben zwar, völlig intakte Zellen oder Mitochondrien zu beobachten, doch reichte die Auflösung bisher bei Weitem nicht aus. Die STED-Mikroskopie steigert die Bildschärfe vielfach – und damit auch den Erkenntnisgewinn. Sind Mitochondrien defekt, kann es zu schweren Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder Krebs kommen.

„Wir sind daran interessiert, zu verstehen, wie Proteine in den Mitochondrien verteilt sind und wie sich die Verteilung bei solchen Erkrankungen verändert. Und das kann man mit keinem anderen Verfahren analysieren“, so Jakobs. Für den Biologen sind es „extrem spannende Zeiten, weil wir Dinge sehen, die vorher noch keiner gesehen hat, nicht sehen konnte“. Wie damals mit der Elektronenmikroskopie ergeben sich mit der STED-Mikroskopie völlig neue Einblicke. „Bisher war man meistens darauf angewiesen, die komplexen Lebensvorgänge im Reagenzglas zu untersuchen, was ohne Zweifel erfolgreich war.

Doch das Reagenzglas ist nicht die Zelle. Wenn wir jetzt das Regelwerk der Zelle selbst ‚live’ beobachten können, dann sehen wir, was wo zu welchem Zeitpunkt passiert oder sogar aus dem Ruder läuft“, sagt Hell. Der Physiker erwartet, dass die scharfen Einblicke ins Innere lebender Zellen wichtige neue Erkenntnisse in der Gesundheitsforschung ermöglichen und zukünftig zur Entwicklung neuer Therapieformen führen können.

Zur Person

Forschungsschwerpunkt

  • Optische Mikroskopie mit beugungsunbegrenzter Auflösung
  • Ausbildung
  • 1981 Abitur
  • 1981 – 1987 Studium der Physik (Diplom) an der Universität Heidelberg
  • 1990 Dissertation an der Universität Heidelberg (Prof. S. Hunklinger), Summa cum laude

Wissenschaftliche Laufbahn

  • 1990 Freie Erfindertätigkeit
  • 1991 – 1993 Postdoktorand am EMBL, Light Microscopy Group
  • 1993 – 1996 Projektleiter; Department of Medical Physics,
  • 1993 – 1996 University of Turku /Finnland &
  • 1993 – 1994 Scanning Optical Microscopy Group; Dpt. Engineering Science, Oxford, UK
  • 1996 Habilitation in Physik an der Universität Heidelberg (extern)
  • 1997 – 2002 Leiter einer Selbständigen Nachwuchsgruppe der MPG am
  • Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
  • seit 10/2002 Wissenschaftliches Mitglied und Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
  • Leiter der Abteilung „NanoBiophotonik“
  • seit 12/2003 Leiter der Abteilung „Optische Nanoskopie“ am Deutschen Krebsforschungszentrum, Heidelberg
  • seit 12/2003 apl. Professor, Fakultät für Physik, Universität Heidelberg
  • seit 01/2004 Honorar-Professor für Experimentalphysik an der Universität Göttingen

Akademien

  • 2007 Akademie der Wissenschaften zu Göttingen, ord. Mitglied
  • 2009 Heidelberger Akademie der Wissenschaften, korresp. Mitglied
  • 2012 Rumänische Akademie, Ehrenmitglied
  • 2013 Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften, ord. Mitglied

Preise und Ehrungen

  • 2000 Preis der International Commission for Optics (ICO)
  • 2001 Helmholtz-Preis für Metrologie, Co-Rezipient
  • 2002 Berthold Leibinger Innovationspreis, 3. Preis, Co-Rezipient
  • 2002 Carl-Zeiss-Forschungspreis des Ernst-Abbe-Fonds im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft
  • 2002 Karl Heinz-Beckurts-Preis
  • 2004 Gottlieb Daimler- und Karl Benz-Preis der Berlin-Brandenburgischen Akademie
  • 2006 10. Deutscher Zukunftspreis des Bundespräsidenten
  • 2007 Cozzarelli-Preis der „Proceedings of the National Academy of Science”
  • 2007 Julius-Springer-Preis für Angewandte Physik
  • 2008 Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • 2008 Niedersächsischer Staatspreis
  • 2009 Otto-Hahn-Preis für Physik
  • 2009 Dr. h.c., Universität Turku, Finnland
  • 2010 Ernst-Hellmut-Vits-Preis
  • 2011 Familie-Hansen-Preis
  • 2011 Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft
  • 2011 Göteborger Lise-Meitner-Preis 2010/2011
  • 2011 Meyenburg-Preis
  • 2011 Dr. h.c., Universität Vasile Goldis, Arad, Rumänien
  • 2012 Wissenschaftspreis der Fritz Behrens-Stiftung
  • 2013 Dr. h.c., Polytechnische Universität Bukarest, Rumänien
  • 2013 Paul Karrer Medaille
  • 2013 Carus-Medaille der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina
  • 2014 Kavli-Preis für Nanowissenschaften

Named Lectures

  • 2006 Robert B. Woodward Visiting Scholar, Harvard University
  • 2007 Ångström Lecture, Uppsala Universitet, Sweden
  • 2008 Debye Lecture, Utrecht University, The Netherlands
  • 2009 Frederick Seitz Lecture, University of Chicago, USA
  • 2010 David Sears Memorial Lecture, Yale University, USA
  • 2010 University Lecture, University of Utah, Salt Lake City, USA
  • 2011 Lord Lecture, Massachusetts Institute of Technology, MA, USA
  • 2012 Ramabrahman and Balamani Guthikonda Memorial Lecture, Columbia University, New York, USA
  • 2012 Römer Lecture, Ludwig-Maximilians-University Munich, Munich, Germany
  • 2013 Twenty-Third Annual George A. Feigen Memorial Lecture, Stanford, CA, USA
  • 2013 Paul Karrer Vorlesung, Universität Zürich, Schweiz

Editorial Boards / Advisory Boards

  • 2002 – 2007 Optics Express (US)
  • 2003 – Journal of Structural Biology (Guest Editor)
  • 2002 – 2003 Single Molecules
  • 2002 – Journal of Fluorescence (US)
  • 2000 – Journal of Microscopy (UK)
  • 1999 – 2002 Review of Scientific Instruments (US)
  • 1997 – 1998 Bioimaging (Associate Editor)
  • 1995 – Journal of Biomedical Optics (US)
  • 2005 – Journal of Structural Biology
  • 2007 – Journal of Biophotonics
  • 2009 – Journal of Biomedical Optics
  • 2010 – Biomedical Optics Express
  • 2010 – ChemPhysChem
  • 2012 - Annalen der Physik

Mitgliedschaften und ehrenamtliche Aufgaben

  • Seit 2002 Wissenschaftliches Mitglied der MPG, Biomed. und Chem.-Phys.-Techn. Sektion
  • Seit 2003 Vorstandsmitglied, Laser Laboratorium Göttingen e. V.
  • Seit 2003 Ass. Mitglied des European Neuroscience Institute (ENI), Göttingen
  • Seit 2005 Sekretär der „International Society on Optics Within Life Sciences” (OWLS)
  • Seit 2007 Mitglied der Akademie der Wissenschaften zu Göttingen
  • Seit 2007 Kuratoriumsmitglied des X-LAB, Göttingen
  • 2007-2009 Kuratoriumsmitglied der Stiftung Zukunfts- und Innovationsfonds Niedersachsen
  • Seit 2009 Co-Sprecher des CNMPB (Exzellenzcluster Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain)
  • Seit 2009 Korrespondierendes Mitglied der Heidelberger Akademie der Wissenschaften
  • Seit 2012 Ehrenmitglied der Rumänischen Akademie
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