Menschen können diese "kleinen Kerle" nur wegen dieser Gruppe von Zwangsstörungen sehen

Die Auflösung des menschlichen Auges beträgt etwa 0,1 mm. Wie können wir Bakterien, Viren und sogar Proteinstrukturen Schritt für Schritt erkennen? Dies ist untrennbar mit dieser Gruppe der „Zwangsstörungen“ verbunden.

Geschrieben von Reporter Duan Ran. Herausgegeben von Liu Zhao.

Redakteur für Neue Medien/Li Yunfeng

Interviewexperten

Zhang Detian (Professor am Nationalen Zentrum für Biomedizinische Analyse, Akademie der Militärmedizinischen Wissenschaften)

„Ich war sehr überrascht, so viele winzige Mikroorganismen im Wasser zu sehen. Sie waren so schön und beweglich. Manche stachen wie Speere ins Wasser, andere wirbelten wie Kreisel auf der Stelle, und wieder andere bewegten sich flink und in Gruppen. Man kann sie sich wie eine Gruppe fliegender Mücken vorstellen.“

Im Jahr 1675 schrieb ein kleiner Beamter des Rathauses von Delft in den Niederlanden einen Brief an die Royal Society of London, in dem er den Mitgliedern der Gesellschaft die wunderbaren Dinge beschrieb, die er mit einem selbstgebauten Mikroskop beobachtet hatte. In einem akademischen Diskussionsschreiben an die damals renommierteste akademische Organisation Europas führte dieser Beamte keine langen, strengen, aber langweiligen wissenschaftlichen Argumente an. Stattdessen drückte er in einfacher Sprache sein kindliches Staunen und seine Freude aus, wenn er zwischen den Zeilen Neues entdeckte.

Dieser damals unbekannte Beamte war niemand anderes als der berühmte Pionier der Mikrobiologie und Mikroskopie, Antonie van Leeuwenhoek. Über einen Zeitraum von 50 Jahren beobachtete Leeuwenhoek mit dem von ihm gebauten Mikroskop mikroskopische Organismen wie Bakterien, Muskelfasern und Spermienzellen und schickte mehr als 300 Briefe an die Royal Society of London, um seine neuen Entdeckungen zu besprechen. Dank Leeuwenhoeks unermüdlicher Beharrlichkeit gelang es den Menschen schließlich, die Welt auf der mikrobiellen Ebene zu beobachten.

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Das erste Mikroskop: Das Geheimnis der mikrobiellen Welt lüften

Dass Leeuwenhoek die bunte Welt der Mikroorganismen entdecken konnte, verdankt er vor allem seinem Talent zur Linsenherstellung. Er hat im Laufe seines Lebens mehr als 400 Mikroskope hergestellt. Sie unterschieden sich stark von den Mikroskopen, die wir heute kennen. Die meisten Mikroskope von Leeuwenhoek waren Einlinsenmikroskope, die nur aus einer kleinen Messingplatte bestanden. Bei der Verwendung musste man zur Beobachtung auf dem Rücken liegen und die Platte in Richtung Sonnenlicht richten. Mit seiner Reihe erstaunlicher Entdeckungen wurde Leeuwenhoek in der damaligen Wissenschaftsgemeinde schnell zu einer „Internet-Berühmtheit“.

▲Bild eines Mikroskops, das im 17. Jahrhundert von Leeuwenhoek entworfen wurde (Fotoquelle: Visual China)

Allerdings war es der britische Wissenschaftler Robert Hooke, der zur gleichen Zeit die theoretischen Grundlagen der Mikroskopie legte. Im Jahr 1665, als Leeuwenhoek noch die Technik der Linsenherstellung studierte, baute Hooke, der bei der Royal Society of London für die wissenschaftlichen Experimente zuständig war, ein Mikroskop. Im Gegensatz zu dem von Leeuwenhoek verwendeten Einlinsenmikroskop handelte es sich hierbei um ein zusammengesetztes Mikroskop, dessen Funktionsprinzip und Aussehen dem eines modernen optischen Mikroskops sehr ähnlich waren.

Mit diesem Mikroskop untersuchte Hooke ein dünnes Stück Kork und entdeckte eine dichte Gitterstruktur, die den Einzelräumen ähnelte, in denen Mönche damals lebten. Daher nannte Hooke diese Struktur „Zelle“, was im Englischen die Bezeichnung für einen einzelnen Raum ist. Dieses Wort wird in der heutigen Zeit mit „Zelle“ übersetzt. Bald darauf schrieb Hooke das Buch „Mikroskopischer Atlas“, in dem er dieses wichtige Beobachtungsergebnis festhielt.

Hookes Forschungsergebnisse erregten bald die Aufmerksamkeit von Leeuwenhoek, der Hookes Mikroskop studierte, schließlich jedoch ein selbstgebautes Einlinsenmikroskop zur Beobachtung verwendete. Der Grund dafür ist, dass das Hooke-Mikroskop ernsthafte Probleme mit der chromatischen Aberration aufweist. Die sogenannte chromatische Aberration bedeutet, dass beim Durchgang von Licht durch eine Linse aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes unterschiedliche Lichtfarben auf unterschiedliche Punkte fokussiert werden, wodurch das Bild der Probe von einer Schicht aus Farbflecken umgeben ist, was die Klarheit erheblich beeinträchtigt.

Auch die von Leeuwenhoek vorgeschlagene Lösung war sehr einfach: Sie bestand darin, die Linsen gründlich zu schleifen, einzelne Linsen zu kleinen Glasperlen zu verarbeiten und diese in die winzigen Löcher von Messingplatten einzubetten. Auf diese Weise wurde die Beeinträchtigung der Bildgebung durch chromatische Aberration weitestgehend vermieden, obwohl die Vergrößerung nicht geringer war als die des Hooke-Mikroskops. Der Preis dafür ist allerdings, dass die Beobachtung direkt ins Sonnenlicht erfolgen muss, was für die Augen des Beobachters sehr schädlich ist.

Neben der chromatischen Aberration traten bei frühen Mikroskopen auch Probleme mit der sphärischen Aberration auf, d. h., wenn Licht durch die Linse gebrochen wird, kann das Licht in der Nähe der Mitte und in der Nähe des Randes das Bild nicht auf einen Punkt fokussieren, wodurch das Bild unscharf wird. Seit der Erfindung des Mikroskops sind chromatische Aberration und sphärische Aberration zu „angeborenen Krankheiten“ geworden, die den Fortschritt der Menschen in der mikroskopischen Welt behindern. Erst im 19. Jahrhundert erlebte die optische Mikroskopietechnologie mithilfe der industriellen Revolution einen grundlegenden Wandel, der diese beiden Probleme grundlegend löste.

▲Verwendung einer einzelnen Linse zur Vergrößerung des Bildes eines Objekts (Bildquelle/Technology Networks)

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Herausfordernde chromatische und sphärische Aberrationen: Eine allmählich klarere mikroskopische Perspektive

Im Jahr 1830 stellte ein britischer Amateurmikroskopiker namens Lister erstmals die sphärische Aberration in Frage. Er verwendete auf kreative Weise mehrere Linsengruppen mit spezifischen Abständen, um die Auswirkungen der sphärischen Aberration erfolgreich zu reduzieren.

Danach verlagerte sich das Hauptschlachtfeld für die Verbesserung von Mikroskopen rasch nach Deutschland, und die 1846 gegründete Optische Fabrik Zeiss wurde im folgenden Jahrhundert zum Marktführer. Im Jahr 1857 entwickelte das Zeiss-Werk das erste moderne zusammengesetzte Mikroskop und gelang damit ein erfolgreicher Markteintritt. Allerdings litt Zeiss während des Entwicklungs- und Produktionsprozesses auch unter chromatischer Aberration: Die damals übliche Praxis, die Anzahl der Linsen zu erhöhen, konnte zwar die Vergrößerung des Mikroskops steigern, die Beeinträchtigung der Bildschärfe durch die chromatische Aberration jedoch nicht beseitigen.

Im Jahr 1872 schlug Professor Ernst Abbe von der Universität Jena in Deutschland eine umfassende Theorie der Mikroskopie vor, in der er wissenschaftliche Fragen wie die Abbildungsprinzipien und die numerische Apertur optischer Mikroskope detailliert beschrieb. Auch Professor Abbe wurde von Zeiss schnell ins Unternehmen geholt und entwickelte eine Reihe bahnbrechender optischer Komponenten, darunter apochromatische Linsen, die die Auswirkungen der chromatischen Aberration auf einen Schlag eliminierten.

Mit der technischen Unterstützung von Professor Abbe wurden die von der Zeiss-Fabrik hergestellten Mikroskope zu den besten unter ähnlichen Produkten und wurden bald zu einem begehrten Gut in den großen Labors in Europa und den Vereinigten Staaten, womit sie den Grundstein für die Grundform moderner optischer Mikroskope legten. Bald holte Zeiss den berühmten Chemiker Otto Schott ins Unternehmen und verwendete das von Schott entwickelte Lithiumglas mit neuen optischen Eigenschaften für seine eigenen Produkte. Im Jahr 1884 gründete Zeiss gemeinsam mit Abbe und Schott die Jenaer Glasfabrik zur Herstellung professioneller Linsen für Mikroskope.

▲Zusammengesetztes Mikroskop, hergestellt 1862 (Foto/Manfred Stich)

Die rasante Entwicklung der Mikroskoptechnologie ermöglichte zudem eine kontinuierliche Verbesserung verschiedener moderner biologischer Theorien. Durch hochauflösende Linsen werden dem menschlichen Auge nach und nach verschiedene komplexe Strukturen der mikroskopischen Welt in konkreter Form dargestellt.

Da biologische Strukturen auf mikroskopischer Ebene meist farblos und durchsichtig sind, färbten Wissenschaftler damals biologische Proben im Allgemeinen ein, um sie unter der Linse deutlich sichtbar zu machen und so den Kontrast zu erhöhen und die Beobachtung zu erleichtern. Die größte Einschränkung dieser Methode besteht darin, dass die Toxizität des Farbstoffs selbst häufig die Gewebestruktur von Mikroorganismen zerstört und die rückständigen Materialien der Farbstoffe es derzeit auch unmöglich machen, bestimmte spezifische Gewebe zu färben.

Erst 1935 entdeckte der niederländische Gelehrte Zernike das Phasenkontrastprinzip und wandte es erfolgreich auf Mikroskope an. Bei dieser Technik der Phasenkontrastmikroskopie wird der äußerst feine Phasenunterschied ausgenutzt, der durch Licht entsteht, das durch transparente Objekte hindurchtritt, um Bilder zu erzeugen. Dadurch kann das Mikroskop farblose und transparente biologische Proben klar beobachten. Zernike selbst erhielt für diese Entdeckung 1953 den Nobelpreis für Physik.

Zhang Detian, Professor am Nationalen Zentrum für Biomedizinische Analyse der Akademie der Militärmedizinischen Wissenschaften, der sich seit langem der Erforschung der Elektronenmikroskopie widmet, erklärte gegenüber Reportern: „Das menschliche Auge kann nur etwa 0,1 Millimeter auflösen, während ein optisches Mikroskop bis zu 0,2 Mikrometer (1 Millimeter = 1000 Mikrometer) auflösen kann, wodurch Bakterien und Zellen sichtbar werden. Aufgrund der Wellennatur des Lichts begrenzt das Beugungsphänomen jedoch die weitere Verbesserung der Auflösung optischer Mikroskope.“

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs machten optische Mikroskope durch die kontinuierliche Anwendung verschiedener neuer Theorien und Technologien große Fortschritte, doch in dieser Zeit wurde auch das Potenzial optischer Mikroskope bis an seine Grenzen ausgeschöpft. Professor Abbe, der große Beiträge zum Zeiss-Werk und sogar zur gesamten Mikroskopie geleistet hat, schlug die „Auflösungsgrenzentheorie“ vor, die davon ausging, dass die Auflösungsgrenze gewöhnlicher optischer Mikroskope 0,2 Mikrometer beträgt und kleinere Objekte außerhalb ihrer Reichweite liegen – diese Theorie wird auch als „Abbe-Grenze“ bezeichnet. Es ist wie eine Barriere, die die menschliche Erforschung der Tür zur tieferen mikroskopischen Welt blockiert und die Wissenschaftler zwingt, nach anderen Wegen zu suchen.

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Elektronenmikroskopie: ein neuer Ansatz zur Entdeckung

Können wir angesichts der Mängel des sichtbaren Lichts andere Lichtstrahlen mit kürzeren Wellenlängen verwenden, um einen Durchbruch bei der Auflösung zu erzielen? Zhang Detian führte weiter aus: „Nach 1924 fand man im materiellen Bereich ein Medium mit kürzerer Wellenlänge – Elektronen – und erfand das Elektronenmikroskop, dessen Auflösungsvermögen das Niveau von 0,1 Nanometern erreichte.“

Im Jahr 1931 installierten der deutsche Wissenschaftler Knorr und sein Student Ruska eine Entladungselektronenquelle und drei Elektronenlinsen auf einem Hochspannungsoszilloskop und bauten so das erste Elektronenmikroskop der Welt. Damit eröffneten sie dem Menschen eine neue Denkweise für die Erforschung der mikroskopischen Welt.

▲Das 1933 von Ruska entwickelte Transmissionselektronenmikroskop (Fotoquelle/Wikimedia Commons)

Elektronenmikroskope unterliegen in keiner Weise der Abbe-Grenze und ihre Auflösung übertrifft die der damaligen optischen Mikroskope bei weitem. Im folgenden Jahr verbesserte Ruska das Elektronenmikroskop und die Auflösung erreichte den Nanometerbereich (1 Mikron = 1000 Nanometer). In dieser Beobachtungstiefe konnte der Mensch endlich Mikroorganismen mit eigenen Augen sehen, die kleiner sind als Bakterien – Viren. Im Jahr 1938, 40 Jahre nachdem die Existenz des Virus bestätigt worden war, konnte Ruska mithilfe eines Elektronenmikroskops die wahre Form des Tabakmosaikvirus erkennen.

▲Tabakmosaikvirus unter einem Transmissionselektronenmikroskop (Fotoquelle/Der Nobelpreis)

Zur Erfindung der Elektronenmikroskopie-Technologie sagte Zhang Detian: „Das Elektronenmikroskop ist für die Menschen der Schlüssel und das Werkzeug zum Verständnis der ultramikroskopischen Welt. Es löst das Problem, dass optische Mikroskope durch die Wellenlänge des natürlichen Lichts begrenzt sind, und erweitert das Verständnis der Menschen für die Welt von der Zellebene auf die Molekülebene.“ Von der Millimeterskala, die nur mit bloßem Auge wahrgenommen werden kann, über die Mikrometerskala, die mit optischen Mikroskopen erreicht werden kann, bis hin zur Nanometerskala, die mit Elektronenmikroskopen weiter erforscht werden kann, durchbricht die mikroskopische Bildgebungstechnologie schnell die Grenzen der menschlichen Wahrnehmung der mikroskopischen Welt.

Allerdings werden die Mängel des Elektronenmikroskops selbst immer offensichtlicher. Da eine Elektronenbeschleunigung nur unter Vakuumbedingungen erreicht werden kann, müssen biologische Proben häufig in einer Vakuumumgebung dehydriert und getrocknet werden, was bedeutet, dass Elektronenmikroskope biologische Proben im lebenden Zustand überhaupt nicht beobachten können. Darüber hinaus kann der Elektronenstrahl selbst leicht die biologische Molekülstruktur auf der Oberfläche der Probe zerstören, wodurch die Probe selbst viele wichtige Informationen verliert. Dieses hartnäckige Problem beschäftigte die Wissenschaftler noch viele Jahre lang.

Erst 1981 lösten zwei Forscher am Züricher IBM-Labor, Bennig und Rohrer, erstmals das Problem der Beschädigung der Probenstruktur durch Elektronenstrahlen mit einer Methode, die damals ziemlich „ketzerisch“ erschien. Sie nutzten den „Tunneleffekt“ der Quantenphysik, um ein Rastertunnelmikroskop zu entwickeln.

Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen und Elektronenmikroskopen verfügt dieses Mikroskop nicht einmal über eine Linse. Während des Betriebs wird eine Sonde in die Nähe der Probe gebracht und zwischen beiden eine Spannung angelegt. Wenn die Sonde nur Nanometer von der Probe entfernt ist, tritt ein Tunneleffekt auf – Elektronen passieren diesen winzigen Spalt und bilden einen schwachen Strom. Dieser Strom ändert sich mit der Entfernung zwischen der Sonde und der Probe. Durch die Messung der Stromänderung kann man indirekt die ungefähre Form der Probe ermitteln. Da im gesamten Prozess kein Elektronenstrahl beteiligt ist, vermeidet das Rastertunnelmikroskop grundsätzlich die Beschädigung der Oberfläche biologischer Proben durch beschleunigte Elektronen.

Rastertunnelmikroskope werden heute auch „Rasterkraftmikroskope“ genannt. „Auf der Mikrometer- oder sogar Nanometerebene bieten Rasterkraftmikroskope einzigartige Vorteile bei der dynamischen Beobachtung der Veränderungen der Oberflächenmorphologie und -struktur biologischer Proben“, erklärte Zhang Detian gegenüber Reportern. „Wenn die Bedingungen es erlauben, kann es auch die Stärke der Wechselwirkungskraft zwischen biologischen Makromolekülen ermitteln, was die Untersuchung der Beziehung zwischen Struktur und Funktion erleichtert.“

1986 erhielten Binnig und Rohrer für ihr Rastertunnelmikroskop den Nobelpreis für Physik. Interessanterweise teilten sie die Ehre mit Ruska, dem Erfinder des Elektronenmikroskops. Damals war er bereits Achtzigjähriger und sein Mentor Knorr war längst verstorben. Die Meilensteine ​​der neuen und alten Generation der Elektronenmikroskoptechnologie wurden auf derselben Bühne ausgezeichnet, was damals in der Physikgemeinde für Aufsehen sorgte.

▲1981 entwickelten Bennig und Rohrer das Rastertunnelmikroskop. Fünf Jahre später erhielten sie den Nobelpreis für Physik (Bildquelle/Der Nobelpreis)

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Neue Knospen aus einem alten Baum: Ein optisches Mikroskop, das die „Abbe-Grenze“ durchbricht

In den Jahrzehnten seit seiner Erfindung hat das Elektronenmikroskop die Grenzen des menschlichen Wissens in Bereichen wie Biologie, Chemie, Materialien und Physik erheblich erweitert. Ob Ruska, Binnig oder Rohrer – ihre Beiträge machten sie nicht nur weltberühmt, sondern verhalfen auch Wissenschaftlern anderer Fachgebiete zu höchster Ehre.

So erhielt der britische Chemiker Alan Krug beispielsweise im Jahr 1982 den Nobelpreis für Chemie für seine Forschungen zu komplexen Systemen aus Nukleinsäuren und Proteinen. Seine wissenschaftlichen Forschungsergebnisse erzielte er durch den Einsatz hochauflösender Elektronenmikroskopie-Technologie und Röntgenbeugungsanalyse-Technologie. Im selben Jahr, in dem Kluge den Preis erhielt, entdeckte der israelische Chemiker Daniel Shechtman mithilfe eines Elektronenmikroskops die Existenz von Quasikristallen und erhielt dafür 2011 allein den Nobelpreis für Chemie.

Derzeit spielen Elektronenmikroskope eine zentrale Rolle bei der Erforschung von Metallen, Halbleitern und Supraleitern. In den Bereichen Biologie und Medizin bleibt die Beschädigung biologischer Proben durch Elektronenmikroskope jedoch weiterhin ein unüberwindbares technisches Problem. Daher begannen viele Wissenschaftler, auf zwei Wegen nach Lösungen zu suchen:

Eines davon ist die Entwicklung einer Kryo-Elektronenmikroskopie-Technologie. Diese Technologie verändert nicht die allgemeine Arbeitsweise des Elektronenmikroskops, sondern beginnt mit der biologischen Probe selbst und führt an dieser ein Tiefkühlgefrieren durch. In diesem Zustand kann die Probe sogar in einer Vakuumumgebung ihre ursprünglichen morphologischen Eigenschaften und ihre biologische Aktivität beibehalten. „Aufgrund der niedrigen Beobachtungstemperatur befinden sich die biologischen Proben in einem hydratisierten Zustand und die Moleküle in einem natürlichen Zustand, sodass die Strahlungstoleranz der Proben verbessert ist. Wir können die Proben in verschiedenen Zuständen einfrieren und Veränderungen in der Molekülstruktur beobachten“, erklärte Zhang Detian gegenüber Reportern.

Der Schweizer Physiker Jacques Dubochet, der amerikanische Biologe Joachim Frank und der britische Biologe Richard Henderson teilten sich für diese Technologie den Nobelpreis für Chemie 2017. Nach dem Ausbruch der neuen Kronenepidemie hat die Kryo-Elektronenmikroskopie-Technologie herausragende Beiträge zur Humanforschung und zur Bekämpfung der Epidemie geleistet. Im Jahr 2020 nutzte Zhou Qiangs Labor an der Westlake University diese Technologie, um erstmals die vollständige Struktur des Rezeptors des neuen Coronavirus, ACE2, erfolgreich zu analysieren, was einen entscheidenden Schritt vorwärts für das menschliche Verständnis des neuen Coronavirus darstellte.

▲Kryo-EM-Dichtekarte des ACE2-B0AT1-Komplexes (Bildquelle/biorxiv)

Ein anderer Ansatz besteht darin, mit einem herkömmlichen optischen Mikroskop zu beginnen. Im goldenen Zeitalter der Elektronenmikroskope begannen viele Wissenschaftler mit der Entwicklung von optischen Mikroskopen mit ultrahoher Auflösung und versuchten sogar, die „Abbe-Grenze“ zu durchbrechen, die optische Mikroskope schon immer plagte. Die „Fluoreszenztechnologie“ wurde zum Schlüssel zur Verwirklichung all dieser Ziele.

Schon Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler, dass bestimmte Substanzen Licht mit kürzerer Wellenlänge und höherer Energie (wie etwa ultraviolettes Licht) in sichtbares Licht mit längerer Wellenlänge umwandeln können, wenn sie die Lichtquelle absorbieren. Dieses Phänomen wurde später als „Fluoreszenzphänomen“ definiert.

Fluoreszenz ist in der Natur allgegenwärtig und das Prinzip hinter diesem Phänomen wurde im 20. Jahrhundert schnell auf optische Mikroskope angewendet. Im Jahr 1911 entwickelten deutsche Wissenschaftler das erste Fluoreszenzmikroskop, das Proben mit fluoreszierenden Pigmenten einfärbte und die fluoreszierenden Substanzen in den Proben mithilfe von ultraviolettem Licht zur Lichtemission anregte. Allerdings war der Bildeffekt nicht gut und die fluoreszierenden Substanzen wurden als Farbstoffe verwendet. Wie bei frühen Farbstoffen würde ihre Toxizität lebende Proben schädigen.

Erst 1974 entdeckte der japanische Wissenschaftler Osamu Shimomura das grün fluoreszierende Protein, das weit weniger giftig ist als frühere fluoreszierende Substanzen und ein ideales Material für die Fluoreszenzmarkierung lebender Proben darstellt. Diese Entdeckung wurde für Wissenschaftler zu einer mächtigen Waffe, um in Zukunft die „Abbe-Grenze“ zu durchbrechen.

Im Jahr 1989 gelang dem Wissenschaftler Molnar, der am IBM Research Center in den USA arbeitete, die erste Fluoreszenzdetektion einzelner Moleküle, wodurch optische Mikroskope eine Detektion mit einer Genauigkeit von Nanometern ermöglichten. Später entwickelte der amerikanische Wissenschaftler Betzig auf Grundlage von Molnars Arbeit eine neue Methode zur mikroskopischen Abbildung: Er kontrolliert die fluoreszierenden Moleküle in der Probe, lässt eine kleine Anzahl von Molekülen Licht aussenden und bestimmt so das Molekülzentrum und die Position jedes Moleküls. Durch mehrere Beobachtungen entsteht ein Bild im Nanomaßstab. Mit dieser Methode durchbrach Betzig mühelos die Abbe-Grenze der optischen Mikroskopie.

▲Fibroblasten, eine der häufigsten Zellen im Bindegewebe von Säugetieren, werden durch einen Prototyp der photoaktivierten Lokalisierungsmikroskopie (PALM) dargestellt. Die DNA im Zellkern (blau), den Mitochondrien (grün) und dem Zytoskelett (rot) ist deutlich sichtbar (Bildquelle/NIH)

Fast zeitgleich hatte der deutsche Wissenschaftler Stefan Hell während einer optischen Untersuchung eine plötzliche Idee: Nach dem Prinzip des Fluoreszenzphänomens werden nur die Nanomoleküle fluoreszieren und erkannt, wenn man Laserlicht verwendet, um die fluoreszierende Substanz in der Probe zur Lichtemission anzuregen, und einen weiteren Laserlichtstrahl verwendet, um die Fluoreszenz größerer Objekte in der Probe zu eliminieren. Können wir theoretisch keine mikroskopischen Bilder mit einer Auflösung von mehr als 0,2 Mikrometern erhalten?

Er begann sofort mit Experimenten und baute ein neues Mikroskop, wodurch er die Auflösung optischer Mikroskope auf 0,1 Mikrometer senkte. Das Abbe-Grenzwertproblem, das die optische Mikroskopietechnologie ein Jahrhundert lang geplagt hat, konnte zu Beginn dieses Jahrhunderts nach der harten Arbeit mehrerer Generationen von Wissenschaftlern endlich gelöst werden. Die drei Wissenschaftler Molnar, Betzig und Hull teilten sich den Nobelpreis für Chemie 2014 für ihre „Superauflösungs-Fluoreszenzmikroskopie-Technologie“.

Bis heute haben optische Mikroskope und Elektronenmikroskope bei der Erforschung der mikroskopischen Welt ihre eigenen Stärken und Schwächen und ergänzen sich gegenseitig. Natürlich verlassen sich Wissenschaftler in praktischen Anwendungen zunehmend auf die Kombination mehrerer mikroskopischer Bildgebungsverfahren. So gelang es dem Francis Crick Institute im Vereinigten Königreich im Mai dieses Jahres, eine subzelluläre Karte des neuronalen Netzwerks des menschlichen Gehirns zu erstellen. Dabei kam eine Reihe mikroskopischer Bildgebungstechnologien zum Einsatz, etwa die Kalzifizierungsbildgebungstechnologie und die Volumenelektronenmikroskopie. In Zukunft wird die Kombination mehrerer mikroskopischer Bildgebungstechnologien, von denen jede ihre Stärken voll ausspielen wird, unsere Wissensstruktur in den Bereichen Biologie, Medizin, Chemie und Materialien weiter verbessern und uns diese allumfassende und wunderbare Welt noch vollständiger vor Augen führen. ■