Schärfere Bilder aus dem Inneren einer Zelle

Durchbruch der Auflösungsgrenze im Lichtmikroskop – Helmholtz-Preis für zwei Göttinger Wissenschaftler

Seltsame Landschaften aus den buckeligen Oberflächen einzelner Atome – solche Bilder gehören dank der Rastersondenmikroskopie in der Physik zum Stand der Technik. In der biologischen und medizinischen Forschung spielt dagegen das klassische Lichtmikroskop noch immer eine überragende Rolle, denn es bietet zwei Vorteile: Es zerstört lebende Zellen nicht und ermöglicht auch Einblicke in tiefere Gewebeschichten. Das Problem, dass es sich bisher nur für die Betrachtung relativ grober Strukturen eignete, haben Stefan W. Hell und Thomas A. Klar vom Göttinger Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie nun gelöst: Sie entwickelten ein Verfahren, mit dem es möglich ist, mit dem Lichtmikroskop auch kleinste Strukturen im Inneren einer Zelle detailreich zu erkennen. Für diese entscheidende Verbesserung der Messtechnik erhalten die beiden Forscher den diesjährigen Helmholtz-Preis.

Ob in der Biotechnologie oder der Medizin – wer lebende Zellen erforscht, steht (bisher) stets vor demselben Dilemma: Um feinste Strukturen zu erkennen, eignen sich nur die modernen Röntgen-, Elektronen- oder Rastersondenmikroskope. Aber beim Elektronenmikroskop bleiben die Elektronen nach einigen Mikrometern in der Probenoberfläche stecken, und die Rastersondenmikroskope sind grundsätzlich nur Oberflächenverfahren. Man behilft sich damit, Zellen zu präparieren und in hauchdünne Schichten zu schneiden, um aus einer Vielzahl von Schnittaufnahmen die Zelle zu rekonstruieren. Doch lebende Zellen lassen sich so nicht beobachten. Das gilt auch für das Röntgenmikroskop, dessen hochenergetische Strahlen zwar tiefer ins Gewebe eindringen, aber die Zelle bei der ersten Belichtung abtöten.

Bleibt also nur das Lichtmikroskop, mit dem sich das Zellinnere schonend erkunden lässt. Aber die Wellennatur des Lichts verhindert, dass das Licht feiner als eine halbe Wellenlänge fokussiert werden kann. Deshalb lassen sich so nur Strukturen bis zu einer Größe von rund 250 Nanometern deutlich erkennen. Für viele Zellbestandteile (wie den Golgi-Apparat, Chloroplasten in Pflanzen oder die bei der Nervenkommunikation entscheidenden Vesikel) reicht die Auflösung nicht aus.

Das neue Verfahren von Stefan Hell und Thomas Klar umgeht diese Beschränkung und macht damit den Weg frei für ganz neue Einsatzmöglichkeiten eines Lichtmikroskops. Es beruht auf dem Prinzip der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie. Dabei fokussiert man (Laser-) Licht durch das Objektiv eines Mikroskops. Die getroffenen Moleküle werden zur Fluoreszenz angeregt. Aus der Fluoreszenzstrahlung, die sich mit einem Detektor auffangen lässt, kann dann durch Rasterung ein 3-D-Bild der Zelle erstellt werden. Das Problem liegt nun darin, dass das Laserlicht beim Weg durch das Objektiv gebeugt wird. Die Folge: Der fluoreszierende Teil der Moleküle bekommt einen unscharfen Rand, den Hell und Klar mit einem Trick quasi „abrasieren“: Mit einem zweiten intensiven Laserstrahl passender Wellenlänge, der zudem einen ringförmigen Fokus erzeugt, werden die Moleküle im Randbereich des Fokus am Fluoreszieren gehindert. Dieses „Abregen durch Licht“ funktioniert nur, wenn es schneller als die Fluoreszenz erfolgt, also innerhalb von wenigen Pikosekunden abgeschlossen ist. Die Wissenschaftler setzen sogar noch kürzere Pulse von nur 280 Femtosekunden Dauer ein.

Das neue Verfahren erlaubt im Prinzip Auflösungen bis in den molekularen Bereich. So können schärfere und damit informativere 3-D-Bilder aus dem Inneren einer Zelle entstehen. Außerdem lässt sich die Ultrakurzzeitdynamik biochemischer Abläufe in Zellen und Zellverbänden erfassen. In Zukunft könnte es auch dazu beitragen, optische Speicher mit höherer Dichte zu entwickeln oder noch feinere Strukturen bei Mikrochips zu realisieren.