ArchivDeutsches Ärzteblatt42/2014Nobelpreis für Chemie: Das Leuchten der Proteine

MEDIZINREPORT

Nobelpreis für Chemie: Das Leuchten der Proteine

Dtsch Arztebl 2014; 111(42): A-1804 / B-1549 / C-1481

Siegmund-Schultze, Nicola

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Der deutsche Physiker Stefan Hell ist mit zwei amerikanischen Forschern für die Entwicklung der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie ausgezeichnet worden. Sie macht lebende Strukturen im Nanobereich sichtbar und hat große Bedeutung für die medizinische Forschung.

HER2-Proteine in und auf Kolonkarzinomzellen im selben Präparat mit konfokaler (li.) und STED-Mikroskopie (re) dargestellt. HER2-Proteine sind spezifische Zielstrukturen für die Krebstherapie. Fotos: P. Ilgen, Inst. f. Biophysikalische Chemie, MPI Göttingen, L.-C. Conradi, Universitsmedizin Göttingen
HER2-Proteine in und auf Kolonkarzinomzellen im selben Präparat mit konfokaler (li.) und STED-Mikroskopie (re) dargestellt. HER2-Proteine sind spezifische Zielstrukturen für die Krebstherapie. Fotos: P. Ilgen, Inst. f. Biophysikalische Chemie, MPI Göttingen, L.-C. Conradi, Universitsmedizin Göttingen

Über die Beugung, das war Stefan Hell klar, ließ sich sein Ziel nicht erreichen. Der Physiker wollte Strukturen in lebenden Zellen mit einer höheren Auflösung sichtbar machen, als es die Lichtmikroskope der 90er Jahre vermochten. Aber es gab ein Limit: die Beugungsgrenze des Lichts. Einem 120 Jahre alten physikalischen Gesetz zufolge ließen sich im Lichtmikroskop zwei Punkte, je nach Wellenlänge, erst ab einer Entfernung von circa 200 Nanometern unterscheiden. Zu viel, um intrazelluläre Strukturen, Proteinkomplexe und ihre Veränderungen gut zu erkennen, zumindest im lebenden Objekt.

Diese magische Grenze haben Hell (51) und zwei amerikanische Forscher überwunden und für ihre „bahnbrechende Weiterentwicklung der Lichtmikroskopie zur Nano-skopie“ den Chemienobelpreis erhalten, so das Nobelpreiskomitee. Hell ist Direktor am Max-Planck-Institut (MPI) für Biophysikalische Chemie in Göttingen und Leiter einer Abteilung am Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg, der Physiker Prof. Eric Betzig (54) arbeitet am Howard Hughes Medical Institute in Ashburn, Virginia, und der Chemiker Prof. William Moerner (61) an der Stanford University in Stanford, Kalifornien. Hell hat die STED-(stimulated emission depletion-)Mikroskopie entwickelt, die beiden anderen Preisträger die Einzel-Molekül-Mikroskopie. Gemeinsam ist, dass sie Fluoreszenzfarbstoffe in einer neuen Weise für den Blick in die Zelle und als biologische Marker nutzbar machten.

Wenig „Scharfsichtiges“ für Studien an lebenden Zellen

Hell ist in Arad, Rumänien, geboren und studierte an der Universität Heidelberg Physik. 1990 promovierte er über konfokale Mikroskopie. „Schon damals hatte ich den Eindruck, dass das Thema ‚Auflösung in der Lichtmikroskopie‘ noch nicht zu Ende gedacht ist“, sagte Hell bei einer Pressekonferenz zur Bekanntgabe des Nobelpreises. Zwar seien Rastersonden- und Elektronenmikroskope (EM), die Strukturen im Nanometerbereich abbilden, „scharfsichtige Alternativen zur Lichtmikroskopie“. Aber die Proben müssten trocken und fein geschnitten im Vakuum fixiert werden. „Das macht es unmöglich, lebende Zellen zu mikroskopieren.“

Die Markierung von Proteinen und Nukleinsäuren mit Fluoreszenzfarbstoffen wurde seit längerem für die Mikroskopie genutzt: Die Farbstoffe strahlen auf Lichtimpulse hin für kurze Zeit Licht anderer Wellenlänge ab. Dieses Abstrahlen lässt sich gezielt ausschalten durch Zusammenwirken eines Anregungs- und eines Ausschaltstrahls (stimulierte Emission). Hells zündende Idee: Zwei Laser müssten sich als An- und Ausschaltstrahlen so kombinieren lassen, dass nur die am stärksten angeregten fluoreszenzmarkierten Moleküle in der Mitte eines Lichtrings aufleuchten. Am Rand werden sie unterdrückt. Je kleiner der Lichtring, desto höher die Bildauflösung. Sie ist von der Beugungsgrenze des Lichts entkoppelt und nur durch die Technik begrenzt, derzeit circa 20 Nanometer, die Größe etwa von Proteinen.

2007 kamen die ersten STED-Mikroskope auf den Markt. Sie machen feinste Details der Vorgänge in lebenden Zellen sichtbar, die grundlegend neue Einsichten in die molekularen Ursachen von Krankheiten und die Wirkung von Medikamenten versprechen, zum Beispiel bei Krebs. Tumorrelevante Proteine wie HER2 lassen sich in ihrer Expression und Verteilung darstellen, auch im Krankheitsverlauf und bei der Therapie. Daran arbeiten das MPI und die Universitätsmedizin Göttingen (PLOS One 2014; 9: e101563). Schnelle Aufnahmetechniken ermöglichen es sogar, Transport und Freisetzung von Botenstoffen am Kontakt zwischen Nerven- oder Muskelzellen zu erkennen, physiologische Prozesse, die bei degenerativen Erkrankungen gestört sind. Mittelfristig, meint Hell, werde die STED-Mikroskopie zu besseren Therapien führen.

Dr. rer. nat. Nicola Siegmund-Schultze

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