Es gibt Dinge, die wir nicht sehen können. Nicht, weil sie nicht existieren, sondern weil unsere Augen und unsere technischen Hilfsmittel an Grenzen stoßen. Eine dieser Grenzen hat mehr als 100 Jahre lang die Mikroskopie bestimmt: die sogenannte Beugungsgrenze des Lichts.

Der deutsche Physiker Ernst Abbe hat 1873 gezeigt, dass sich mit einem Lichtmikroskop keine Strukturen erkennen lassen, die kleiner sind als etwa 200 Nanometer. Das entspricht ungefähr dem 400-Fachen der Dicke eines menschlichen Haares. Alles darunter verschwimmt.

Eine revolutionäre Idee

Der Physiker Stefan Hell hat Ende der 1980er-Jahre diesen Umstand als Ansporn genommen, um an einer Lösung zu forschen. Er suchte nach einem Weg, die Grenzen der Lichtmikroskopie zu überwinden, und hat schließlich eine entscheidende Idee: Er bringt bestimmte fluoreszierende Moleküle gezielt dazu, nicht zu leuchten. Dadurch kann er einzelne Strukturen voneinander unterscheiden, die vorher wie ein unscharfer Lichtfleck erschienen sind.

Seine Idee findet zunächst wenig Zuspruch, aber Hell bleibt hartnäckig: Mit der STED-Mikroskopie (Stimulated Emission Depletion) erfindet er schließlich eine Methode der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, für die er 2014 gemeinsam mit Eric Betzig und William Moerner den Nobelpreis für Chemie erhält.

Hells Arbeit veränderte nicht nur die Physik, sondern eröffnete auch neue Möglichkeiten für Biologie und Medizin: Mit der STED-Mikroskopie lassen sich einzelne Moleküle und feinste Strukturen in lebenden Zellen bei ihrer Arbeit beobachten.

Blick in die kleinsten Maschinen des Lebens

Heute geht die Forschung weit über die ursprüngliche Entdeckung hinaus. Das Ziel: Proteine, die winzigen Maschinen der Zellen, nicht nur in ihrer Struktur zu sehen, sondern zu verstehen, wie sie funktionieren. Denn bisher wissen Forschende zwar viel darüber, wie Proteine aufgebaut sind. Wie sie sich in einer lebenden Zelle bewegen und welche mechanischen Prozesse dabei ablaufen, ist oft noch schwer direkt zu beobachten.

Für Hell könnte genau darin die nächste große Chance liegen. Wenn Forschende verstehen, wie ein Protein funktioniert, könnte das langfristig auch helfen, gezielter Medikamente zu entwickeln — etwa indem man besser nachvollziehen kann, wie bestimmte Moleküle bei Krankheiten beteiligt sind.

In dieser Folge von »Die großen Fragen der Wissenschaft« erzählt Nobelpreisträger Stefan Hell, warum Grundlagenforschung gerade dann erfolgreich sein kann, wenn sie zunächst keinen offensichtlichen Nutzen verspricht, und warum es revolutionäre Ideen in der Wissenschaft zunächst oft schwer haben. Er ist Direktor am Max-Planck-Institut für multidisziplinäre Naturwissenschaften und am MPI für medizinische Forschung und zu Gast bei Katharina Menne und Carsten Könneker.