Team 1

Lichtmikroskopie in ungekannter Schärfe

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Das Projekt
Seit dem 17. Jahrhundert führt das Lichtmikroskop – wie kaum ein anderes Instrument – zu wissenschaftlichen Erkenntnissen. Doch Licht breitet sich als Welle aus und wird gebeugt. Deshalb kann ein Lichtmikroskop nur Details auflösen, die mindestens eine halbe Wellenlänge (200 Nanometer) voneinander entfernt sind. 1873 von Ernst Abbe entdeckt und in einer Formel festgehalten, erschien dieses Gesetz unüberwindbar. Um feinere Strukturen untersuchen zu können, wurden deshalb die Elektronen- sowie die Rastersondenmikroskopie erfunden, die mit ihrer höheren Auflösung maßgeblich zum Fortschritt des 20. Jahrhunderts beigetragen haben. Dennoch: Intakte oder sogar lebende Zellen können diese Verfahren nicht abbilden, da sie auf Oberflächen begrenzt sind oder sogar Vakuum erfordern. Eine Zelle zerstörungsfrei abbilden kann nur fokussiertes Licht.

Der Projektverantwortliche Stefan Hell hat als Erster – und unerwartet – einen Weg gefunden, die Abbesche Grenze im Fluoreszenzmikroskop, dem wichtigsten Mikroskop der biomedizinischen Forschung, zu überwinden. STED steht für stimulated emission depletion, was den verwendeten physikalischen Effekt bezeichnet. Mithilfe der STED-Mikroskopie können heute Proteinverteilungen bis zu zehnmal schärfer als bisher dargestellt werden. Dies führte zu wichtigen Erkenntnissen. So konnte die STED-Mikroskopie einzelne Bläschen mit Nervenbotenstoffen (synaptische Vesikel) auflösen und eine grundlegende Frage der Neurobiologie lösen.

Das Neue an diesem Verfahren ist, dass seine Schärfe nicht mehr durch die Lichtwellenlänge begrenzt ist. Die erreichbare Auflösung ist nur noch eine Frage der Umsetzung. So erreichten Hell und seine Mitarbeiter bereits Auflösungen von 20 Nanometern, also die zehnfache Überschreitung des Abbeschen Grenzwerts. Da Proteinkomplexe im Bereich von zehn bis 200 Nanometern liegen, hat dieses Mikroskop das Potenzial, in die molekulare Skala des Lebens vorzudringen und Krankheiten besser auf die Spur zu kommen.

Mehr noch: Hell konnte eine ganze Familie von beugungs-unbegrenzten Lichtmikroskopen definieren. Dazu ergänzte er Abbes Formel um einen entscheidenden Wurzel-Term, der nun auch molekulare Auflösungen zulässt.

Abbes Beugungsgrenze behindert aber nicht nur den Einblick in biologische Details, sondern auch die optische Herstellung kleinster elektronischer Schaltkreise. Auch hier fordert sein Gesetz die Verwendung immer kürzerer Wellenlängen – in Zukunft sogar von Röntgenlicht. Weil Röntgenlicht aber sehr schwierig zu bündeln ist, hat diese Forderung weltweit milliardenschwere Anstrengungen ausgelöst. Doch mit geeigneten schaltbaren Molekülen lässt sich Hells Prinzip umkehren und zum beugungs-unbegrenzten Herstellen von Nanostrukturen verwenden. Obwohl das Verfahren wahrscheinlich nicht für Massenspeicher geeignet wäre, könnte man prinzipiell beliebig kleine Strukturen anfertigen, und zwar mit sichtbarem Licht und Objektiven aus Glas. Dies war bis vor kurzem noch undenkbar. Es ist daher nicht überraschend, dass das vorliegende Projekt im Jahre 2004 in einem EU-Ideenwettbewerb der Grundlagenforschung unter mehr als 250 Projekten die höchste Priorität erhielt.

Die STED-Mikroskopie wurde vom Erfinder patentiert und an ein traditionsreiches Optikunternehmen in Deutschland, Leica Microsystems GmbH, lizenziert. Leica entwickelt die STED-Mikroskopie zum marktfähigen Gerät und hat die Markteinführung für 2007 angekündigt. Weiterentwicklung und Produktion erfolgen am Standort der Firma in Mannheim. Die Max-Planck-Gesellschaft hat drei weitere Grundlagenpatente Hells (Mikroskopie und Lithographie) angemeldet und verhandelt über ihre Verwertung. Doch die optische Erschließung der Nanoskala bietet einen viel breiteren Mehrwert als die Schaffung von Hochtechnologie-Arbeitsplätzen: Sie eröffnet neue Bereiche für die Grundlagenforschung, sie kann die Informationstechnologie weitertragen, und sie verspricht die Aufklärung pathogener Mechanismen.

Das Institut
Das Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen, 1971 auf Initiative von Nobelpreisträger Manfred Eigen entstanden, ist eines der größten Institute der Max-Planck-Gesellschaft.

Den Schwerpunkt der Forschung bilden molekulare Prozesse in der Zelle sowie in Flüssigkeiten und Gasen, deren Funktionsweise mit chemischen, physikalischen und molekularbiologischen Methoden untersucht wird. Das Institut verfolgt dabei einen interdisziplinären Forschungsansatz und nutzt so auf einzigartige Weise das Potenzial, das sich an den Grenzflächen von Physik, Chemie und Biologie ergibt.

Die Bedeutung der Arbeiten an diesem Institut lässt sich an einer Vielzahl von Preisen messen, mit denen seine Wissenschaftler ausgezeichnet wurden, darunter allein drei Nobelpreise (Manfred Eigen, Chemie 1967, Erwin Neher und Bert Sakmann, Medizin/Physiologie 1991).

Obwohl das Institut wie alle Max-Planck-Institute der Grundlagenforschung verschrieben ist, war es Keimzelle und Ausgangspunkt für mehrere Firmen von internationaler Bedeutung, z. B. Lambda-Physik, Evotec und DeveloGen. Über Patente – darunter das finanziell erfolgreichste Patent der Max-Planck-Gesellschaft – ist das Institut auch an der wirtschaftlichen Nutzung seiner Ergebnisse beteiligt.

In der Abteilung NanoBiophotonik (Leiter: Prof. Dr. Hell) arbeiten Physiker, Chemiker, Biologen und Ingenieure daran, die Nanoskala der Zelle zu erschließen. Das Hauptziel ist die Entwicklung einer optischen Mikroskopie, die es ermöglicht, das komplizierte Regelwerk der Proteine im Innern der Zelle zu erfassen. Auf diese Weise soll Biologen und Medizinern ein auf neuen physikalischen Ansätzen beruhendes Instrument zur Verfügung gestellt werden, mit dem sie die Lebensvorgänge in der Zelle besser verstehen können, um so den molekularen Ursachen von Krankheiten auf die Spur zu kommen.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Lichtmikroskopie in ungekannter Schärfe“ wurde von der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. vorgeschlagen.