Das Magazin - Ausgabe 03 - Systembiologie

die beugungsgrenze
überwunden
Neue hochauflösende mikroskopische Verfahren für
die Biomedizin
von Stefan Hell
Bildgebende Verfahren gehören zu den wichtigsten
Datenquellen für ein tieferes Verständnis von Lebensprozessen.
Eine quantitative Beschreibung von komplexen
biologischen Systemen ist jedoch nur möglich,
wenn auch die dynamischen Aspekte dieser Systeme
innerhalb der Zelle berücksichtigt werden. Hierfür
sind hochauflösende mikroskopische Verfahren notwendig,
mit denen es möglich ist, zelluläre Prozesse
genau zu lokalisieren und zu verfolgen. Erst die genaue
räumliche und zeitliche Beschreibung zellulärer
Systeme ermöglicht eine realitätsnahe, mathematische
Modellierung dieser Prozesse. Das Lichtmikroskop
war nicht zuletzt deshalb in den Biowissenschaften
schon immer eines der wichtigsten Forschungsinstrumente
gewesen und das, obwohl die Beugung bis
vor kurzem noch präzise Einblicke auf der Nanoskala
verhinderte. Jedoch sind hier neueste Entwicklungen
dabei, die Leistungsfähigkeit dieses Schlüsselinstruments
der Biowissenschaften zu revolutionieren. Die
Forschergruppe um Prof. Dr. Stefan W. Hell erforscht
an den beiden Standorten Göttingen (Max-Planck-
Institut für Biophysikalische Chemie) und Heidelberg
(Deutsches Krebsforschungszentrum & BioQuant)
neue Verfahren zur beugungsunbegrenzten optischen
Fernfeldmikroskopie, die es ermöglichen, zelluläre
Strukturen und Prozesse im Nanometer-Bereich zu
untersuchen.
Beugung begrenzt die Sicht auf zelluläre Strukturen
Keine Frage: die Beugung von Wellen ist ein fundamentales physikalisches
Phänomen. Über 100 Jahre hielt sich daher das Dogma,
dass die Beugung die lichtmikroskopische Auflösung fundamental
Abbildung 1: Das STED Prinzip
Ein Lasersystem liefert einen Anregungsstrahl (blau) zur
Fluoreszenzanregung sowie einen Stimulationsstrahl
(rot) zum Ausschalten der Fluoreszenz. Diese werden
über einen Farbstrahlteiler und einen Scanner durch
einen farbabhängigen Strahlformer geführt und mit dem
Objektiv auf das Objekt in der Brennebene fokussiert.
Der Strahlformer verändert selektiv nur das rote Ausschaltlicht
so, dass es in der Brennebene ringförmig um
den blauen Brennfleck verteilt wird. Dieses ringförmige
Ausschaltlicht schaltet die Fluoreszenz am Rand des
beugungsbegrenzten Anregungsflecks aus, sodass Moleküle
nur noch in einem viel kleineren zentralen Bereich
Bild: Dr. J. Engelhardt, DKFZ
leuchten (grüner Bereich). Das Fluoreszenzlicht (grün)
wird vom Objektiv gesammelt, passiert den Farbstrahlteiler
und wird im Detektor nachgewiesen. Der Scanner
rastert die Strahlen über das Objekt und erzeugt somit
ein hoch aufgelöstes Abbild des Objekts.
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Forschung Die Beugungsgrenze überwunden
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