Zwei deutsche Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem die seit über hundert Jahren gültige Auflösungsgrenze in Lichtmikroskopen durchbrochen wird. Mit ihrem Verfahren können Stefan Hell und Thomas Klar vom Göttinger Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie nun auch kleinste Strukturen im Zellinnern lebender Zellen detailreich sichtbar machen. Für diese entscheidende Verbesserung der Messtechnik erhalten sie den diesjährigen Helmholtz-Preis.
Ob in der Biotechnologie oder der Medizin ? wer lebende Zellen erforscht, stand bisher stets vor demselben Dilemma: Um feinste Strukturen zu erkennen, eignen sich nur die modernen Röntgen-, Elektronen- oder Rastersondenmikroskope. Mit den ersten beiden Methoden lassen sich jedoch nur tote Zellen untersuchen, Rastersondenmikroskope bieten nur Zugang zur Zelloberfläche. Um die Mechanismen der Biophysik an lebenden Zellen zu erforschen, bleibt nur das Lichtmikroskop. Die Wellennatur des Lichtes erlaubt aber wegen Beugungseffekten nur eine Auflösung bis zur Größe einer halben Wellenlänge ? also etwa bis 250 Nanometer. Für eine Untersuchung der wichtigen Zellbestandteile ist das jedoch zu grob.
Das neue Verfahren umgeht diese Auflösungsgrenze. Es beruht auf dem Prinzip der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie. Dabei werden die zu untersuchenden Zellstrukturen mit Fluoreszenzstoffen “gedopt”. Ein Laserstrahl wird auf die Zellstrukturen fokussiert und regt diese zur Fluoreszenz an. Die Fluoreszenzstrahlung kann dann mit einem Detektor nachgewiesen werden. Durch Rasterung des Laserstrahls über die Zellstruktur kann so 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 Klar und Hell mit einem Trick quasi “abrasieren”: Sie schicken einen zweiten intensiven Laserstrahl mit ringförmigem Fokus auf die Probe. Damit erzwingen sie eine sehr schnelle Abregung der Fluoreszenz der Moleküle im Randbereich.
Die anschließend nachgewiesene Fluoreszenzstrahlung kommt also nur noch aus der Mitte des ersten Laserfokus. Mit diesem Trick konnte die Auflösung bisher schon auf das doppelte gesteigert werden. 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.
Arndt Dürr
