Gesundheit: Forscher steigern mit neuer Laserstrahltechnik die Genauigkeit von Mikroskopen

Das neue Gerät kann Struktur und Funktion vieler Organellen der Zelle in einem neuen Licht erscheinen lassenThomas De Padova

Mit einer trickreichen optischen Apparatur haben deutsche Forscher eine scheinbar naturgegebene Hürde in der Lichtmikroskopie überwunden. Sie richteten zwei Laserstrahlen auf einen winzigen Kristall. Der eine Laser regte die mit Farbstoff markierte Probe zum Leuchten an, der andere unterdrückte das Leuchten im Randbereich wieder. Der verbliebene Leuchtfleck war damit rund 30 Prozent kleiner als zuvor, die Genauigkeit des Mikroskops entsprechend höher.

Dieser Fortschritt in der Lichtmikroskopie hat lange auf sich warten lassen. Denn bei der Verbesserung der Mikroskope stießen Forscher bereits früh an ihre Grenzen. "Schon vor 120 Jahren waren die Lichtmikroskope beinahe so gut wie heute", sagt Stefan W. Hell, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. Den Grund dafür habe schon der deutsche Physiker Ernst Abbe (1840 - 1905) gekannt: Die Lichtwellen laufen nicht geradlinig durch die Linsen, sondern werden gebeugt. Um zwei Punkte mit Hilfe eines Mikroskops noch klar voneinander trennen zu können, darf ihr Abstand daher nicht kleiner sein als die Wellenlänge des Lichtes.

Sichtbares Licht hat Wellenlängen zwischen rund 0,75 und 0,4 tausendstel Millimetern (Mikrometer). Noch ein wenig kleinere Strukturen lassen sich allenfalls bei der Verwendung von ultraviolettem Licht erkennen. Damit erreicht man eine Auflösung von bis zu 0,2 Mikrometern - was etwa den Ausmaßen eines großen Virus entspricht.

Das UV-Licht selbst ist mit dem Auge nicht zu sehen. Doch kann man es auf Oberflächen richten, die zuvor mit speziellen Farbstoffen präpariert wurden. Solche Farbstoffe zeigen die seltene Eigenschaft der "Fluoreszenz": Obgleich mit kurzwelligem UV-Licht bestrahlt, beginnen sie im längerwelligen Spektrum des sichtbaren Lichtes zu leuchten. So können kleine fluoreszierende Bereiche als Leuchtpunkte identifiziert werden.

Auch die Fluoreszenz-Mikroskopie unterliegt jedoch den oben genannten Beschränkungen. Mit Licht kam man also nicht weiter. Deshalb wandten sich viele Forscher in diesem Jahrhundert von der Lichtmikroskopie ab. Elektronen- oder Raster-Sonden-Mikroskope wurden entwickelt, die millionenfache Vergrößerungen ermöglichten und selbst noch einzelne Atome oder Moleküle sichtbar machten.

Sie vermochten das Lichtmikroskop allerdings in der Biologie nie wirklich zu ersetzen. Zellen und Lebewesen mussten getötet und entwässert werden, um unter dem Elektronenmikroskop im Vakuum betrachtet werden zu können. Und kein Mikroskop konnte - so wie ein Lichtmikroskop - in das Innere einer Zelle schauen. Der Blick blieb auf die Oberflächenstrukturen beschränkt.

Stefan W. Hell und Thomas A. Klar vom Max-Planck-Institut in Göttingen haben das von Abbe vorhergesagte Limit nun unterboten. Sie verkleinerten den fluoreszierenden Brennpunkt des Mikroskops auf raffinierte Weise. "Mit einem zweiten Laser können die Farbstoffmoleküle im Außenbereich wieder in ihren Grundzustand zurückgezwungen werden", sagt Hell. Die Moleküle würden regelrecht ausgeknipst. "Dadurch kann die Fluoreszenz schärfer lokalisiert werden, und feinere Details der Probe sind erkennbar." Das neue Mikroskop sei durchaus dazu geeignet, Struktur und Funktion vieler Organellen der Zelle in einem neuen Licht erscheinen zu lassen. © 1999