Superscharfer Videoclip aus der Zelle

Durch die Entwicklung besonders schneller Aufnahmetechniken für die STED-Mikroskopie gelang es den Physikern Volker Westphal, Marcel Lauterbach und Stefan Hell in Zusammenarbeit mit dem Biologen Silvio Rizzoli vom Göttinger Exzellenzcluster "Mikroskopie im Nanometerbereich", auch schnelle Bewegungsvorgänge innerhalb der Zelle direkt "auf Film" zu bannen. Die Wissenschaftler konnten die Belichtungszeit für eine einzelne Aufnahme so drastisch verkürzen, dass sie Bewegungsvorgänge mit einer Auflösung von 65 bis 70 Nanometern - also 3- bis 4-mal besser als die Beugungsgrenze - in Echtzeit einfangen. Als Untersuchungsobjekt dienten den Forschern dabei lebende Nervenzellen.

Zwischen Nervenzellen werden Signale über Botenstoffe übertragen, die von der Senderzelle abgegeben und von der Empfängerzelle erkannt werden. Diese Botenstoffe werden in speziellen Bläschen ("Vesikeln") bereits auf Vorrat gehalten. Den Wissenschaftlern gelang es, die schnelle Bewegung dieser kleinen Vesikel in den Nervenendigungen mit bis zu 28 Bildern pro Sekunde aufzuzeichnen. Mit einer Größe von 40 Nanometern sind auch diese Vesikel winzig - etwa 1000 von ihnen passen auf die Breite eines Haares. Unter dem Mikroskop konnten die Forscher direkt in bisher ungekannter Schärfe mitverfolgen, wie sich die schnellen Vesikel über die gesamte Länge der Nervenendigungen bewegten. "Dabei binden sie zwischendurch an Zellstrukturen und lösen sich wieder von diesen ab", beschreibt Silvio Rizzoli die Geschehnisse in den Nervenendigungen. Diese Erkenntnisse ermöglichen Wissenschaftlern wichtige neue Einblicke in die Prozesse bei der Signalübertragung zwischen Nervenzellen. "Damit konnten wir erstmals zeigen, dass man dynamische Lebensvorgänge in Echtzeit aufnehmen kann - und zwar mit einer Auflösung, die bisher nur mit dem Elektronenmikroskop möglich war", fasst Stefan Hell den Entwicklungssprung in der Mikroskopie zusammen.

Bereits im November letzten Jahres brachte die Firma Leica das erste kommerzielle STED-Mikroskop auf den Markt. In der Nachwuchsgruppe unter Leitung von Silvio Rizzoli steht bereits ein solches Mikroskop. Rizzoli untersucht damit die Vorgänge in den Vesikeln der Nervenzellen von Ratten.

Aber nicht nur Vorgänge, die bei der Übertragung von Signalen zwischen Nervenzellen eine Rolle spielen, lassen sich mit der STED-Mikroskopie klären. So erwarten Forscher, dass sich zukünftig damit viele Fragen der biologischen und medizinischen Forschung beantworten lassen. Ziel von Stefan Hell und seinen Mitarbeitern ist es nun, das Aufnahmeverfahren weiter zu optimieren. Für dessen Anwendung sieht Hell ein enormes Potential: "Erstmals Vorgänge auf der Nanoskala zu filmen, war ein wichtiger Schritt. Es stößt ein Tor auf zu neuen Erkenntnissen auf der molekularen Skala des Lebens - ein Tor, von dem man lange Zeit annahm, dass es das gar nicht gibt."

Prof. Stefan W. Hell, Jahrgang 1962, studierte Physik in Heidelberg. Nach seiner Promotion 1990 in Heidelberg verfolgte er seine Ideen zunächst als "freier Erfinder". Nach einer Zeit als Postdoktorand am EMBL in Heidelberg ging er 1993 als Gruppenleiter nach Turku, Finnland. Dort entwickelte er das Prinzip der STED-Mikroskopie. Im Jahr 1996 wechselte Hell als Leiter einer Max-Planck-Nachwuchsgruppe an das Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. Dort leitet er seit 2002 die Abteilung NanoBiophotonik. Stefan Hell ist wissenschaftliches Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft und Honorarprofessor für Experimentalphysik an der Georg-August-Universität Göttingen. Er erhielt zahlreiche Preise und Auszeichnungen, darunter den Preis der "International Commission for Optics (ICO)" (2000), den Helmholtz-Preis (2002), den "Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten" (2006) sowie den Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis (2008).