Lichtblicke in die Nanowelt

Mikroskope mit 4Pi- und STED-Technologie ermöglichen Aufnahmen in ungekannter Schärfe: Sie erreichen eine bis zu zehnmal höhere Auflösung als die besten Lichtmikroskope. Die Fraunhofer-Patentstelle hat den Erfinder unterstützt und den Kontakt zur Industrie hergestellt.

Die Auflösung hat natürliche Grenzen: Mit einem gewöhnlichen Licht-mikroskop lassen sich Punkte, die näher als etwa 300 Nanometer voneinander entfernt liegen, nicht mehr getrennt darstellen. Bessere Ergebnisse liefern Elektronen-, Rastersonden- und Röntgenmikroskope. Doch deren hochenergetische Strahlung und das im Strahlengang erzeugte Vakuum zerstören biologische Substanzen und eignen sich nicht zur Untersuchung dreidimensionaler Strukturen. Stefan Hell ist es gelungen, durch geschickte Kombination lichtmikroskopischer Methoden die räumliche Auflösung auf bis zu 30 Nanometer zu steigern.

„Wir haben bereits 1991, als der Erfinder noch ein Student war, erkannt, welches Potenzial in diesen Ideen steckt“, erklärt Dr. Helmut Appel von der Fraunhofer-Patentstelle für die Deutsche Forschung PST. Die PST betreut Erfindungen, die zum Beispiel an Hochschulen und Forschungseinrichtungen entstehen. Die Entwicklungen um diese Mikroskope begleitete sie von Anfang an. Sie hat Hell, heute Professor und Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, nicht nur bei den Patentverfahren unterstützt und die notwendigen Geldmittel zur Verfügung gestellt, sondern auch den Kontakt zu einem industriellen Partner vermittelt: Im Jahr 2001 nahm Leica Microsystems die exklusive Lizenz für die 4Pi-Basistechnologie. 4Pi-Lichtmikroskope sind seit 2004 am Markt und finden raschen Absatz.

Eine wichtige Weiterentwicklung beruht auf der „Stimulierten Emission-Depletion“, kurz STED: Ähnlich wie bei der Fluoreszenz-Mikroskopie werden auch STED-Proben mit speziellen Farbstoffen markiert. Ein technischer Trick grenzt hierbei die Ausdehnung der fluoreszierenden Lichtflecke ein: Jeder Punkt wird durch zwei zeitlich genau abgestimmte Lichtpulse bestrahlt. Der erste besteht aus kurzwelligem, grünem Licht: Er regt die Farbstoffmoleküle an, die sich genau im Fokus des Lichtstrahls befinden. Ihm folgt ein zweiter Puls aus langwelligem, rotem Licht: Die angeregten Moleküle geben ihre eben erst gewonnene Energie als Fluoreszenz, als „Leuchten“, wieder ab. Der zweite Lichtstrahl wird dabei so platziert, dass er nur die Farbmoleküle am Rand jedes Punkts anregt. Dadurch „schrumpft“ der Durchmesser des Leuchtpunkts, die Zahl der Punkte, die nebeneinander passen, ohne sich zu überlagern, steigt, die Auflösung wird verbessert. Im Herbst 2005 verpflichtete sich Leica Microsystems das erste Mikroskop mit STED-Technologie innerhalb von drei Jahren auf den Markt zu bringen.