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Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen

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Stefan Hell (Chemie-Nobelpreis 2014): STED - Lichtblicke in die Nanowelt

Tricksereien an der optischen Grenze

Tricksereien an der optischen Grenze

Wer an unumstößlichen Gesetzen rüttelt, hat es nicht leicht. Das musste Stefan Hell erfahren, als er die Auflösungsgrenze optischer Mikroskope umgehen wollte. Anfangs fanden seine Ideen kaum Akzeptanz – heute ist Hell Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie.

Genaues Hinschauen lohnt sich für Stefan Hell - seine Hartnäckigkeit auch. Bild vergrößern
Genaues Hinschauen lohnt sich für Stefan Hell - seine Hartnäckigkeit auch.

TEXT UTA DEFFKE

Inzwischen ist Stefan Hells neuartiges Mikroskop langsam erwachsen geworden. In seinen Laboren produziert es faszinierende Bilder von Zellen und Neuronen und zeigte erstmals die Fusion von einzelnen Bläschen mit Nervenbotenstoffen mit der Nervenendung. Die ersten Varianten kann man kaufen, sie leisten Biologen und Medizinern bereits wertvolle Dienste bei ihrer Suche nach molekularen Ursachen von Krankheiten oder der Wirkweise von  Medikamenten. Eigentlich müsste man das Gerät Nanoskop nennen, angesichts einer Detailgenauigkeit von aktuell etwa 15 Nanometer, die so kaum jemand für möglich gehalten hatte.

Langer Kampf um Geld und Anerkennung

Auch die Skeptiker hat Hell überzeugt, und nicht nur die. Der Mann ist berühmt. Die Liste der Preise, die ihm seine Entwicklung in den letzten Jahren eingebracht hat, ist beeindruckend. Unter anderem erhielt er 2006 den mit 250 000 Euro dotierten 10. Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten und 2008 den Leibniz-Preis, mit 2,5 Millionen Euro der bedeutendste deutsche Forschungspreis.

„Natürlich ist es schön, Anerkennung zu bekommen. Das zeigt, man hat es richtig gemacht“, meint Hell. Und die Preise erleichtern das alltägliche Forscherleben: „Meine Leute haben bessere Arbeitsbedingungen und ich bekomme leichter weitere Mittel.“ Um Geld und Anerkennung hat er lange kämpfen müssen. Angefangen hat alles in einem Technologiepark in Heidelberg. Hier hockte Hell Ende der 1980er-Jahre und tüftelte an seiner Dissertation in der Firma Heidelberg Instruments, die sein Professor und Doktorvater – ein erfolgreicher Tieftemperaturphysiker an der Universität – gemeinsam mit einem Kollegen gegründet hatte. Mit der damals neu aufkommenden Konfokalmikroskopie, bei der ein fokussierter Laserstrahl das Objekt abrastert, sollte er Halbleiterchips inspizieren.

Eigentlich galt seine Leidenschaft eher der Grundlagenforschung. Doch vor einer solchen Karriere hatte sogar die Deutsche Physikalische Gesellschaft gewarnt, angesichts der damaligen Physikerschwemme. „Und die Optik, mit der ich mich beschäftigte, war im Grunde Physik des 19. Jahrhunderts, da war eigentlich schon alles abgegrast – dachte man zumindest“, sagt Hell. „Und weil ich ein bisschen frustriert war und instinktiv nach Grundlegendem Ausschau gehalten habe, ging mir durch den Kopf: Vielleicht kann man ja die Beugungsgrenze knacken!“

„Ein Entwickler bin ich nie gewesen“

Die Beugung der Lichtwellen verhindert, dass man sie schärfer als auf eine halbe Wellenlänge fokussieren kann. Im Prinzip, das war Hell klar, würde er daran nicht rütteln können. Aber mit der 4Pi- und der STED-Technik hat er die Beugungsgrenze unterlaufen (siehe MaxPlanckForschung 4/03). Das 4Pi-Mikroskop verkürzt den Brennpunkt senkrecht zur Brennebene mithilfe zweier Objektive auf ein Fünftel oder gar ein Siebtel. Das STED-Mikroskop basiert auf der Stimulated Emission Depletion oder Stimulierten Emissionsauslöschung und verkleinert den Fokus in der Brennebene – derzeit auf weniger als ein Zehntel der Größe, die Abbes Gesetz zulässt. Das STED-Mikroskop sollte allerdings nur das Erste in einer ganzen Familie von  beugungsunbegrenzten Lichtmikroskopen sein. Denn prinzipiell, das war Stefan Hell schnell klar, sind einige Prozesse geeignet, das Leuchten eines Fluoreszenzmarkers vorübergehend auszuschalten. „Die Biologen sehen mich vielleicht als jemanden an, der Geräte für sie entwickelt. Aber ein Entwickler bin ich nie gewesen“, sagt Hell. „Ich war fasziniert von der Idee, einer alten physikalischen Frage auf den Grund zu gehen, von der man dachte, man kenne die endgültige Antwort.“ Die Lust an der grundlegenden Erkenntnis treibt Hell seit jeher an: „Schon als Schüler wollte ich immer wissen, wo bei einer Sache der Knackpunkt liegt.“

Ein Neuron, betrachtet durch ein herkömmliches Konfokalmikroskop (links) und ein STED-Mikroskop (rechts). Bild vergrößern
Ein Neuron, betrachtet durch ein herkömmliches Konfokalmikroskop (links) und ein STED-Mikroskop (rechts).

Geld der Großeltern als Startkapital

Seine Kindheit verbringt Stefan Hell in einer deutschsprachigen Ortschaft nahe der rumänischen Stadt Arad, im Banat, einer Region an der Grenze zu Ungarn. Dort wird er 1962 geboren und besucht ein deutschsprachiges Gymnasium mit Spezialklassen für Mathematik und Physik. Seine Eltern, ein Ingenieur und eine Grundschullehrerin, fördern seine Begabung in Naturwissenschaften. Das hatte auch praktische Gründe, meint Hell. Geschichte oder Literatur seien sehr von kommunistischer Ideologie gefärbt gewesen. Die Naturwissenschaften hingegen hätten unabhängig davon Bestand, und man könne mit ihnen überall etwas anfangen. „Bei uns war niemand Kommunist“, sagt Hell, „und meine Eltern und Großeltern hatten erlebt, dass sich politische Systeme und öffentliche Meinungen schnell ändern können.“ Außerdem ist den Angehörigen der deutschen Minderheit schon in den 1970er-Jahren klar: Wenn man die  Chance hat, zu gehen, dann geht man. Die Chance tut sich 1978 auf und die Familie siedelt nach Ludwigshafen um. Die Eltern finden dort Arbeit, und auch der begabte Schüler hat es nicht schwer, sich in der neuen Umgebung einzuleben. Er ist nicht nur der Beste in Mathe und Physik, sondern auch in Deutsch. Linguistik und Ethymologie wurden zu einer Art Hobby, für das er sich heute noch begeistert. „Auch da wollte ich erkennen, wie Wörter aus verschiedenen germanischen Sprachen zusammenhängen, wie sich Lautverschiebungen inverschiedenen deutschen Dialekten entwickelt haben.“

 
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