Stefan Hell: Rastloser Querdenker der Biophysik
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- Stefan Hell hat mit seiner Entdeckung die Physikwelt auf den Kopf gestellt und hofft, dass Biomediziner damit nun ihrerseits Revolutionen auslösen. Quelle: Ansgar Pudenz/Deutscher Zukunftspreis
06.09.2011 -
Stefan Hell hat sich schon immer wohl gefühlt, wenn er aus der Reihe tanzen konnte. Bei dem Physiker am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen führte diese Vorliebe zu einer Weltneuheit: 2002 stellte er der Fachwelt ein neues Lichtmikroskop vor, mit dem sich lebende Zellen in ungeahnter Schärfe beobachten lassen - und hob damit ein bislang gültiges physikalisches Gesetz auf. Die Erfindung ist so bedeutend, dass es seitdem Auszeichnungen regnet. 2006 der Deutsche Zukunftspreis, 2008 der Leibniz-Preis und 2011 schließlich der Körber Preis.
Am 7. September wird Stefan Hell den mit 750.000 Euro dotierten Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft im Großen Festsaal des Hamburger Rathauses in Empfang nehmen. Die Auszeichnung wird 2011 zum 27. Mal an einen herausragenden und in Europa tätigen Wissenschaftler für eine zukunftsträchtige Forschungsarbeit vergeben. Ob Zukunft, Leibniz oder Körber, alle Preise erhält Hell für die gleiche bahnbrechende Erfindung: das STED-Mikroskop. Es ist so revolutionär, weil es mit einem alten Dogma der Physik bricht.
"Niemand hat geglaubt, dass sich das sogenannte Abbesche Gesetz überwinden lässt", erinnert sich Hell. Es galt als unumstößlich, dass alles was feiner als 200 Nanometer ist - also etwa 250mal kleiner als ein normales Haar - mit einem normalen Lichtmikroskop nur verschwommen zu sehen ist. Diese Grenze hatte vor rund 130 Jahren der Jenaer Physiker Ernst Abbe entdeckt und seitdem war sie für die Wissenschaft eine unüberwindbare Hürde. Das Argument lernt heute jedes Kind in der Schule: Licht breitet sich als Welle aus und wird gebeugt, wenn man versucht, Licht auf einen Punkt zu fokussieren. Dieser Punkt wird ein Lichtfleck von einer halben Wellenlänge - und das sind bestenfalls eben jene 200 Nanometern.
| Auszeichnungen |
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Mit dem Schalk im Nacken der Beugungsgrenze auf der Spur
Seit Jahrzehnten herrschte an dieser Stelle Stillstand. Stattdessen wurde das Elektronenmikroskop erfunden, denn als Partikel haben Elektronen eine viel kürzere Wellenlänge und deshalb konnten Wissenschaftler damit schärfere Details erkennen. "Das Problem ist nur: Das Elektronenmikroskop braucht Vakuum, und spätestens dann ist die Zelle tot", erklärt Hell. Wer lebende Prozesse beobachten wollte, war also beschränkt und auch Entwicklungen wie die Fluoreszenz-Mikroskopie, bei der leuchtende Markermoleküle dazu benutzt werden, einzelne Vorgänge in der Zelle sichtbar und beobachtbar zu machen, mussten immer vor dieser Grenze halt machen. Diese Methode gehört heute zum Standardrepertoire eines jeden Biomediziners, nur so lassen sich etwa bestimmte Eiweiße in einer lebenden Zelle beobachten. Doch so recht fand sich keiner, der am Auflösungsproblem etwas ändern wollte. "Die Physiker hatten es aufgegeben und die Biologen, die damit konfrontiert waren, hatten dazu keinen Zugang, denn das ist ein physikalisches Problem", resümiert Hell. Ihm jedoch hatten solche kniffligen Dinge schon immer Spaß gemacht. Er, der schon als Kind nichts hingenommen und seine Professoren im Physikstudium immer nach dem "Warum" fragte, wollte dem Mainstream zeigen, dass die Beugungsgrenze zu knacken ist. "Ich habe intuitiv gespürt, dass hier etwas noch nicht zu Ende gedacht ist", erinnert er sich und gibt zu: "Ein bisschen saß mir auch der Schalk im Nacken."
Angefangen hatte alles mit einer Doktorarbeit an der Universität Heidelberg beim Physik-Professor Siegfried Hunklinger, der zu den Mitbegründern der Firma „Heidelberg-Instruments“ gehört, einem Vorläufer der heutigen Leica Microsystems. Damals war Hell als junger Doktorand oft dort, um Experimente durchzuführen und nach und nach begann er, die gängige Fluoreszenz-Mikroskopie neu zu überdenken. Im Jahr 1990 entwickelte er schließlich auf eigene Faust die sogenannte 4Pi-Mikroskopie und meldete sie zum Patent an – ein erster Schritt zum späteren Durchbruch. Mit ihr gelang es bereits, dreidimensionale Zellstrukturen viermal deutlicher abzubilden als dies mit herkömmlichen Methoden möglich war. „Mit dieser Idee ging ich nach meiner Doktorarbeit hausieren“, sagt Hell. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gab ihm schließlich ein Stipendium, mit dem er am Europäischen Molekularbiologischen Labor (EMBL) arbeiten konnte, doch ohne eigenes Labor konnte er seine Idee nicht konsequent verfolgen. Um sie auszuprobieren, sind teure Lasergeräte notwendig, die nicht in jeder Laborecke stehen, aber Querdenker wie er hatten es im damaligen Universitäts- und Forschungsgefüge nicht leicht. „Wenn man mit einer Queridee kam und nicht von einem Professor entdeckt und gefördert wurde, so hat man nicht ins Schema gepasst“, sagt Hell heute. Über einen finnischen Kollegen in Heidelberg gelangte er schließlich an einen finnischen Professor, der ihm den nötigen Freiraum in seinem Labor an der Universität in Turku anbot. Mit einem zusätzlichen Stipendium der Finnischen Akademie siedelte Hell 1993 in den Norden über und baute eine eigene Arbeitsgruppe in der Abteilung für Medizinische Physik auf.
Entdeckung führt den Deutschen von Finnland in die Heimat zurück
Hier kam ihm an einem Samstagvormittag - in einem Physikbuch stöbernd - die Idee zur Sted-Mikroskopie. Sted steht dabei für stimulated emission depletion und ist eine völlig neue Art der Fluoreszenz-Mikroskopie. Dabei wird die Probe einer lebenden Zelle mit zwei Strahlen beleuchtet: einem zur Fluoreszenz-Anregung und einem, der Fluoreszenz verhindert. Durch geschickte Überlagerung dieser beiden Strahlen gelingt es, die Auflösung fast beliebig zu erweitern. „Im Prinzip bis zur Größe eines einzigen Moleküls und damit ist das Abbesche Gesetz aufgehoben“, beschreibt Hell seine bahnbrechende Erfindung.
Mitte der 90er Jahre wurde schließlich Tom Jovin, der damalige geschäftsführende Direktor des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen, auf Hells Idee aufmerksam. Nach einem halbjährigen Aufenthalt in Oxford und seiner Habilitation an der Universität Heidelberg konnte er Hell 1997 zu einer Rückkehr nach Deutschland bewegen. Die Max-Planck-Gesellschaft hatte ihm die Leitung einer selbstständigen Arbeitsgruppe in Göttingen angeboten. „Zunächst konnte ich es kaum fassen. So kam ich über Nacht von einer Hand-in-die-Mund-Position an ein renommiertes Forschungsinstitut. Das war wie eine Rettung“, erinnert sich Hell, denn auch in Finnland wurden die Mittel langsam knapp. In Deutschland angekommen, half dem Physiker auch eine Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das sein Projekt im Rahmen des Programms „Laser 2000“ unterstützte.
Erstes STED-Mikroskop auf dem Markt
Im Jahr 2002 konnte Hell der Fachwelt sein neues Mikroskop vorstellen (Physical Review Letters, 22. April 2002) und im selben Jahr vergab die Max-Planck-Gesellschaft eine Lizenz an das Optikunternehmen Leica Microsystems. Damals konnte nur Hell selbst das selbstgebaute Gerät bedienen, inzwischen ist es auf dem Markt: Anfang November präsentierte Leica das STED-Mikroskop als neues Produkt. Wenn es nach Hell geht, könnte seine Erfindung nun neue Revolutionen in anderen Gebieten nach sich ziehen. Vor allem in der Erforschung von Krankheiten oder der Entwicklung von Medikamenten sieht der Physiker reichlich Potenzial für sein Gerät. „Wenn wir viel besser sehen können, wie ein Medikament in der Zelle wirkt, dann könnten sich viele Tierversuche erübrigen und die Entwicklungszeit enorm verkürzt werden“, sagt er.
Aber auch in der Grundlagenforschung sind völlig neue Einblicke denkbar, wie erste Kooperationen mit Max-Planck-Wissenschaftlern aus der Neurobiologie ergeben haben. Gemeinsam mit dem Leibniz-Preisträger und Göttinger MPI-Kollegen Reinhard Jahn verschafft Hell der Wissenschaft mit seiner schärferen Beobachtungsmethode beispielsweise überraschende Details in der Signalübertragung von Nervenzellen (mehr...). Mittlerweile sind Auflösungen von bis zu fünf Nanometern möglich. Damit ist die Tür zum Nanokosmos von Zellen so weit aufgestoßen wie nie zuvor.
Forschermühen mit Preisen belohnt
All das hat nicht nur in der Fachwelt Begeisterung hervorgerufen, sondern auch in der Gesellschaft. Mit dem mit 250.000 Euro dotierten Deutschen Zukunftspreis, den Hell in einer Festgala 2006 von Bundespräsident Horst Köhler erhielt, erhielt der Forscher auch bundesweite Aufmerksamkeit. 2008 folgte der mit 2,5 Millionen Euro dotierte Leibniz-Preis. Da erscheint der Körber-Preis beinahe schon wie eine Formalie. Die höchste Auszeichnung liegt für Hell aber fernab des Blitzlichtewitters: „Zu sehen, dass das STED oder ein ähnliches Verfahren in jedem Labor der medizinischen Grundlagenforschung Eingang findet und den Kenntnisstand radikal verändert. Ich hätte dann das Gefühl, etwas bewegt zu haben.“
