Mikroskopiertechnik

Elektronenmikroskope sind bislang die stärksten Mikroskope der Welt. Doch dank neuer Technik holen Lichtmikroskope gewaltig auf. Mit ihnen werden die Forscher eine Welt abbilden können, die noch kein Mensch erblickt hat.

Die Welt der kleinsten Teilchen erreicht man durch eine drehbare Tonne mit Tür, ausgeschlagen mit schwarzem Stoff: eine Lichtschleuse, die jeden Lichtstrahl schluckt. Nicht einmal ein feiner Schimmer darf hereinfallen, wenn die Apparatur im Raum dahinter arbeitet. Hier, in einem Betonturm des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen, tüfteln die Wissenschaftler an einem der stärksten Mikroskope der Welt. Man kann damit bis ins Innere lebender Zellen gucken, Bilder mitbringen aus einer Welt, in die bisher niemand blicken konnte.

Licht von außen würde alles verderben. Denn mit Licht arbeitet auch das Mikroskop: mit Laserstrahlen, so fein justiert, dass sie die Grenzen der Physik ausloten. Die Forscher um den Physiker Stefan Hell arbeiten hier an einem Umsturz, der Biologie und Nanotechnik neue Dimensionen erschließen soll. Einen physikalischen Grundsatz, vor etwa 120 Jahren formuliert und seither Schulbuchwissen, haben sie bereits umgeschrieben. Bisher dachte man, bei Lichtmikroskopen sei die Auflösung begrenzt, scharfe Bilder einzelner Moleküle seien unmöglich. Nun zeigt sich jedoch: Vielleicht existiert die Grenze gar nicht.

Die Jagd auf immer schärfere Bilder aus dem Nanokosmos ist eröffnet. Sie spielt in einer Welt, in der die Maßeinheit Nanometer heißt – der milliardste Teil eines Meters. Ein menschliches Haar ist schon etwa 100 000 Nanometer dick. Weltweit tüfteln Physiker und Ingenieure an neuen Mikroskopen, die extrem Winziges sichtbar machen sollen – »Nanoskopie« nennt Stefan Hell das Gebiet. Es könnte irgendwann die Medizin revolutionieren. Denn um Medikamente neu zu entwickeln oder die Ursache von Krankheiten zu verstehen, muss man die grundlegenden Abläufe und Vorgänge in den Zellen verstehen. Der Weg dahin führt über das Beobachten – und über immer stärkere Mikroskope.

Hinter der Göttinger Lichtschleuse experimentieren Forscher mit einem neuen Mikroskop-Aufbau. Das Labyrinth aus Blenden und Linsen auf einer riesigen Platte erinnert an einen Flipper-Apparat. Nur werden durch den Flipper keine Kugeln ins Ziel geschossen, sondern Licht. Es transportiert das Bild des Objekts, das vergrößert werden soll, durch Objektive und Linsen, sodass das Bild immer größer wird – bis es schließlich aufs Auge trifft.

Auf der einen Seite des Aufbaus liegt das Präparat, das vergrößert werden soll; mit dem bloßen Auge niemals zu erkennen. Auf der anderen Seite steht ein Bildschirm, der einen bequemen Blick auf das Präparat erlaubt. Kürzlich haben die Göttinger Wissenschaftler mit dem neuen Mikroskop-Prototyp farbig markierte Proteine beobachtet: winzige Eiweißmoleküle, die in der Membran einzelner Zellteile sitzen und auf dem Monitor rot und grün fluoreszieren. Eine Sensation. Denn erstmals haben die Forscher nun beobachtet, was sie bisher aus biochemischen Experimenten nur vermuten konnten: die Position der Proteine in der Zelle. Bis auf 0,00002 Millimeter genau, das sind 20 Nanometer, sieht man durch dieses Mikroskop.

Das Prinzip des Lichtmikroskops, das sie hier zur Perfektion treiben wollen, ist das älteste Prinzip der Mikroskopie. Vermutlich haben schon um das Jahr 1600 niederländische Wissenschaftler erste Apparate entwickelt, die mithilfe von Linsen und Tageslicht Präparate vergrößern konnten. Von Beginn an stellte die neue Technik ihr Können vor allem in den Lebenswissenschaften unter Beweis: Um 1665 baute der Engländer Robert Hooke ein Mikroskop, mit dessen Hilfe er erstmals pflanzliche Zellen betrachten und abzeichnen konnte. Wenig später, 1680, konstruierte der Niederländer Antoni van Leeuwenhoeck einen Apparat, der Objekte 270-fach vergrößerte. Damit entdeckte er erstmals Bakterien in Teichwasser und im menschlichen Speichel. Auch Robert Koch, der große Mediziner des 19. Jahrhunderts, nutzte ein Mikroskop für seine bahnbrechenden Forschungen am Milzbrand-Erreger: Erstmals brachte er Bakterien mit der Entstehung von Krankheiten in Verbindung.

Doch etwa zur gleichen Zeit wurde klar: Die Fähigkeiten der Vergrößerungsapparate sind begrenzt. Das Limit ist vorgegeben durch die physikalischen Eigenschaften des Lichts, hat der Physiker Ernst Abbé 1873 berechnet, der eng mit dem Mikroskopbauer Carl Zeiss in Jena zusammenarbeitete: Das Bild wird unscharf, sobald zwei Punkte, die vergrößert werden sollen, näher beieinander liegen als eine halbe Wellenlänge des zum Anschauen verwendeten Lichts. Strukturen unterhalb von 200 Nanometern verschwimmen deshalb im Lichtmikroskop zu optischem Brei. Proteine oder Viren würden im Lichtmikroskop immer unscharf sein, dachte man, ebenso elementare Vorgänge des Lebens wie zum Beispiel das Kopieren des Erbmaterials DNA. Der Blick in die Arbeitsprozesse der Zellen schien für immer versperrt.

Deshalb konzentrierten sich Physiker auf ein anderes Prinzip, um die Welt der kleinsten Teilchen zu erforschen: die Elektronenmikroskopie. Ein Strahl von Elektronen, negativ geladenen Elementarteilchen, verhält sich im Vakuum wie Strahlung mit sehr kurzer Wellenlänge, hat der französische Physiker Louis de Broglie in den 1920er Jahren herausgefunden. Wenig später war das erste Elektronenmikroskop erfunden: Statt Licht nutzte es die Elektronen, um damit Bilder zu erzeugen. Entscheidender Vorteil: Im Vergleich mit dem Lichtmikroskop löst es viel kleinere Strukturen auf. Schon Ende der 1930er Jahre gelang es, mit der neuen Technik Viren sichtbar zu machen. Forscher, die derart winzige Details mit eigenen Augen sehen wollten, griffen fortan auf die Elektronenmikroskope zurück, die einen Vergrößerungs-Rekord nach dem anderen brachen – und noch immer nicht an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit angelangt sind.

Gerade erst haben Wissenschaftler in Kalifornien ein Elektronenmikroskop entwickelt, das Strukturen abbilden kann, die kleiner sind als ein Wasserstoffatom – weniger als 0,1 Nanometer. Noch ist dieses Mikroskop das stärkste der Welt, doch im Forschungszentrum Jülich soll 2010 ein Elektronenmikroskop in Dienst gehen, das sogar 0,05 Nanometer schafft. Damit könnte man Details im Atomgitter von Kristallen sehen – wichtig, um Microchips zu überprüfen und ihre Funktion zu optimieren.

Doch Elektronenmikroskope haben Nachteile: Mit den extrem starken Geräten lassen sich feste Materialien betrachten. Sie eignen sich ideal, um winzige Bauteile wie Mikrochips für Computer zu analysieren. Doch ihre Einsatzmöglichkeiten beim Studium biologischer Vorgänge sind begrenzt. Bei Elektronenmikroskopen muss sich das Untersuchungsobjekt im Vakuum befinden – mit lebenden Proben wie Zellen funktioniert das nicht.

Anreiz genug für Physiker und Ingenieure, aus dem Lichtmikroskop noch mehr herauszuholen – denn nur mit ihm lassen sich auch lebende Objekte sowie Prozesse in den Zellen betrachten. Dazu hat man bisher Fluoreszenz-Farbstoffe eingesetzt, die leuchten, wenn man sie mit einem Laser anregt. Diese Farbstoffe lassen sich gezielt an bestimmte Proteine oder Enzyme heften und machen so kleinste Teilchen sichtbar. Im Prinzip funktioniert das etwa so, als versuche man vom Mond aus zu sehen, wie viele Menschen auf der Erde eine Rolex-Uhr besitzen. Eigentlich unmöglich. Doch wenn jeder Rolex-Besitzer mit einem starken Scheinwerfer gen Himmel leuchten würde – dann könnte man zwar nicht die Menschen selbst sehen, aber deren Lichtzeichen ließen sich abzählen.

Nach diesem Prinzip läuft die Fluoreszenz-Vergrößerung ab: Laser-Scanning-Mikroskope tasten seit den 1980er Jahren Proben, die mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert sind, Punkt für Punkt ab – und der Computer setzt daraus ein Bild zusammen. Allerdings: Auch Fluoreszenzlicht unterliegt der Auflösungsgrenze von Licht. Mit den neuen Lasermikroskopen sahen die Wissenschaftler zwar mehr Details – aber nicht genug, um Moleküle zu erkennen.

Dafür ist ein weiterer Tick notwendig – mit dem sich das Licht so überlisten lässt, dass es die physikalischen Grenzen überwindet. Die entscheidende Idee hatte der Physiker Stefan Hell: Er schickt zwei Laserpulse kurz nacheinander auf die Probe. Mit dem ersten regt er die fluoreszierenden Moleküle in seiner Probe zum Leuchten an – in einem relativ großen Fleck. Unmittelbar danach folgt ein zweiter Laserpuls anderer Farbe. Der entscheidende Trick: Der zweite Puls hinterlässt einen ringförmigen Abdruck – und sein Licht ist so gewählt, dass es die Fluoreszenz löscht. So wird der Lichtfleck des ersten Lasers durch den zweiten von außen her wieder verkleinert. Der Weg zu beliebig hoher Auflösung ist frei. Mit dieser Methode, der »Stimulated Emission Depletion« (STED), gelang es sogar, die extrem winzigen Bläschen mit Botenstoffen im Spalt zwischen zwei Nervenzellen sichtbar zu machen.
Hells Technik wurde 2008 vom Fachmagazin »Nature Methods« zur Methode des Jahres gekürt. Inzwischen werden STED-Mikroskope von den großen Herstellern serienmäßig angeboten – Laborsin aller Welt steht nun ein schärferer Blick in die grundlegenden Lebensprozesse offen.

Hells Idee aber ist nicht die einzige, die den kleinsten Teilchen mit Licht auf die Pelle rückt: Andere Forscher bringen per Zufallsprinzip ausreichend weit voneinander entfernt liegende Moleküle zum Fluoreszieren und rekonstruieren daraus ein Gesamtbild. Und im vergangenen Jahr meldeten Forscher um den Münchner Biologen Heinrich Leonhardt, dass sie mit einem computergestützten dreidimensionalen Beleuchtungsverfahren bis in den Zellkern einer Säugetierzelle blicken und das genetische Material sehen konnten.

Eine Auflösungsgrenze in der Lichtmikroskopie? Davon spricht heute niemand mehr. Theoretisch sind Auflösungen denkbar, wie sie heute schon in der Elektronenmikroskopie möglich sind. Um das zu erreichen, arbeiten die Wissenschaftler an neuen Fluoreszenz-Stoffen, die sich noch gezielter ansteuern lassen. Im Göttinger Max-Planck-Institut sind sie mit ihrem aufgerüsteten STED-Mikroskop-Aufbau, der mehr an einen Flipper-Apparat erinnert als an ein Mikroskop, den Molekülen ein weiteres Stückchen nähergekommen: Zehnmal so gut wie bei der normalen Lichtmikrosopie ist die Auflösung nun. Die Technik sei jedoch noch bei Weitem nicht ausgereizt, sagen die Forscher. Die kleinsten Teilchen werden nicht mehr lange unbeobachtet sein. Und dafür sitzen die Wissenschaftler gern mal im Dunkeln – hinter geschlossenen Lichtschleusen.