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Der Lichtjongleur

Mit der Entwicklung eines Lichtmikroskops ermöglichte der Physiker Stefan Hell hochaufgelöste Einblicke in die innersten Strukturen des Lebens.

Als Teenager überzeugte Stefan Hell seine Eltern, aus Rumänien auszuwandern. Foto: Urs Jaudas
Als Teenager überzeugte Stefan Hell seine Eltern, aus Rumänien auszuwandern. Foto: Urs Jaudas

Es gibt physikalische Grenzen, die sind höher als Donald Trumps geplante Mauer. Die Lichtgeschwindigkeit ist so ein Limit – kein Objekt kann sich schneller bewegen als Licht im Vakuum. Auch ein 1873 vom deutschen Physiker Ernst Abbe formuliertes Limit galt als unüberwindbar. Es besagt, vereinfacht ausgedrückt, dass die Auflösung eines Lichtmikroskops durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt ist. Diese Grenze liegt bei rund 200 Millionstel Millimetern oder 200 Nanometern. Konkret: Zellen lassen sich unter dem Lichtmikroskop erkennen. Kleinere Objekte wie Viren, Chromosomen oder Proteine nicht. Der scharfe Blick ins Innere von lebenden Zellen blieb Biologen und Medizinern daher lange verwehrt.

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Stefan Hell (54) hat das Abbe-Limit pulverisiert. Das gelang ihm in den 90er-Jahren, als er ein superauflösendes Lichtmikroskop entwickelte, bei dem Laserlicht und fluoreszierende Moleküle zum Einsatz kommen. Sein Fluoreszenz-Lichtmikroskop erlaubt schärfere Aufnahmen, als man es zuvor für möglich gehalten hatte. Es ist daher eigentlich kein Mikroskop, sondern ein Nanoskop. Für diese Entwicklung erhielt der Physiker vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen 2014 den Nobelpreis für Chemie, gemeinsam mit William Moerner von der Stanford University und Eric Betzig vom Howard Hughes Medical Institute in Maryland, die ein ähnliches Mikro­skop entwickelten.

«Man muss voll geerdet sein, sonst wird man einer Illusion erliegen.»

Letzte Woche hielt Hell an der ETH Zürich die jährlich stattfindenden Pauli-Vorlesungen, benannt nach dem theoretischen Physiker und Nobelpreisträger Wolfgang Pauli, einst Professor an der ETH. Die Hochschule hat Hell für zwei Tage ein Büro auf dem Campus Hönggerberg reserviert, sein Name ist neben der Tür angeschrieben. Hell streift das ­Jackett ab, giesst sich Wasser in einen Becher, lehnt sich in seinem Stuhl zurück und erzählt.

Ein Elternhaus voller Bücher

Seine Entdeckung, sagt Hell, lasse sich nicht von seinem Lebenslauf trennen. Und der beginnt in Rumänien. Hell wuchs in der Ortschaft Sanktanna auf, in der viele Emigranten aus Südwestdeutschland lebten. Die deutschsprachige Minderheit hatte es nicht leicht. Die früheren Generationen waren in erster Linie Bauern, die aber nach 1945 enteignet wurden. «Die Lebensgrundlage war ihnen entzogen, es blieb einzig der Fokus auf eine gute Ausbildung», sagt Hell. So wurde Bildung in der Familie Hell hochgehalten als etwas, das man einem Menschen nicht nehmen kann. Das Haus war voller Bücher, in die Hell oft stundenlang eintauchte, etwa in eine Enzyklopädie, in der er, noch ohne viel davon zu verstehen, von atomarer Kettenreaktion und anderen physikalischen Dingen las.

Nanoskopie von Krebszellen. Foto: A. Chmyrov, S. Hell
Nanoskopie von Krebszellen. Foto: A. Chmyrov, S. Hell

Im Alter von 14 Jahren konnte Hell einen der raren Plätze im Nikolaus-Lenau-Lyceum in Temeswar ergattern, «die beste weiterführende Schule des Landes», sagt Hell. Obwohl er nur neun Monate lang dort war, hat ihn das geprägt: Er gewann einen lokalen Physikwettstreit und erkannte, dass Physik Spass machen kann. Aber er sah in Rumänien keine Perspektive. «Ich habe früh kapiert, dass der Kommunismus sehr restriktiv ist und es dort nur begrenzt möglich ist, sein Leben zu planen.» So überzeugte Hell seine Eltern, nach Westdeutschland auszuwandern. Als die Schikanen mit dem Ausreiseantrag überstanden waren, liess sich die Familie in Ludwigshafen nieder. «Ich kam mit einem gewissen Selbstbewusstsein in Physik und Mathe nach Westdeutschland und stellte fest, dass ich hier in diesen Fächern der Beste war, witzigerweise auch der Beste in Deutsch.»

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1981 begann Hell das Physikstudium an der Uni Heidelberg. Er war von den theoretischen Grundlagen der Physik fasziniert, weniger von den Anwendungen. Aber die älteren Semester meinten, theoretische Physik sei eine brotlose Kunst, viele würden arbeitslos oder endeten als Taxifahrer. So ging Hell in den Bereich der Laser-Mikroskopie, einer Technik, mit der sich zum Beispiel Computerchips untersuchen lassen. «Wenn ich so was mache, dachte ich, kriege ich bestimmt einen Job.» Spass gemacht habe ihm das aber nicht.

Er sann darüber nach, ob er im Bereich der Lichtmikroskopie, «dieser eher langweiligen Physik aus dem 19. Jahrhundert», nicht etwas Spannendes machen könnte. Und er fand, es wäre wirklich cool, dieses Abbe-Limit zu durchbrechen. «Bald kam ich zum Schluss, dass das unter gewissen Voraussetzungen gehen sollte», sagt Hell.

Mit dem Saxofon durch den Winter

In der Fachwelt stiess er mit seinem Vorhaben auf Skepsis, wenn nicht gar auf offene Ablehnung. Dass er trotzdem ans Ziel gelangte, sei nicht nur seiner Intuition und Kreativität zu verdanken. «Man muss zugleich voll geerdet sein, sonst wird man einer Illusion erliegen», sagt Hell. «Wenn der Ansatz falsch ist, kann man es vergessen.» Hell jedoch war von der Stimmigkeit seines Konzepts überzeugt. «Die technischen Probleme, etwa geeignete Laser zu entwickeln, lösen sich mit der Zeit von selbst.»

1993 ging Hell nach Finnland an die Universität Turku. In den langen Winternächten lernte er Saxofon. Ein Jahr später kam der erste wissenschaftliche Durchbruch: Hell formulierte die theoretischen Grundlagen, um das Abbe-Limit zu umgehen. Die Idee: In einem ersten Schritt werden Moleküle der zu untersuchenden Probe punktgenau mit fluoreszierenden Zusatzstoffen markiert – das ist der chemische Aspekt seiner Methode. Werden die so präparierten Moleküle in einem zweiten Schritt mit einem Laser bestrahlt, werden sie zum Nachleuchten angeregt, zur sogenannten Fluoreszenz. Damit nicht die ganze Probe fluoresziert, schaltet ein zweiter, ringförmiger Laserstrahl in einem dritten Schritt die Fluoreszenz wieder aus, mit Ausnahme des nanometerkleinen Bereichs im Zentrum des Rings. Wird mit dieser Methode die ganze Probe Punkt für Punkt abgescannt, entsteht ein hochaufgelöstes Bild, das viel feinere Strukturen sichtbar macht als ein normales Lasermikro­skop. Hell nannte das Verfahren Stimulated Emission Depletion (Sted), übersetzt in etwa: das Auslöschen angeregter Lichtemission.

Zugang zur Nanoskopie

Im Jahr 2000, als er bereits am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie tätig war, publizierte Hell in den «Proceedings of the National Academy of Sciences» einen zweiten Durchbruch: Erstmals gelang es ihm, mit seiner Methode ein grosses Bild molekularer Strukturen aus zahlreichen Einzelaufnahmen zusammenzusetzen. So stiess Hell das Tor zur Nanoskopie weit auf. «Die Entwicklung lässt eine Revolution in der Biologie und der Medizin erwarten», schrieb das Nobel­komitee zur Würdigung der Preisträger.

Das Jahr 2000 war noch in anderer Hinsicht ein Glücksjahr für Hell: Er heiratete seine heutige Frau Anna, eine Chirurgin, die er 1997 in Göttingen kennen gelernt hatte und mit der er mittlerweile vier Kinder hat. «Vier Kinder und eine berufstätige Frau, da ist der Tag ausgefüllt», sagt er. Nur selten greife er noch zum Saxofon.

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