Generationen von Physikstudenten paukten das Gesetz von Abbes Auflösungsgrenze, das besagt, dass Lichtmikroskope bei einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts an ihre natürliche Grenze stoßen. Der Physiker und Optiker Ernst Abbe hatte dieses Gesetz um 1870 entdeckt. Stefan Hell mochte dieses Dogma aber nicht akzeptieren. 1990, als frisch promovierter Physiker, wollte er diese Grenze knacken – mit Erfolg.

Was bewegte Sie dazu, an der Widerlegung eines Lehrsatzes zu arbeiten, der bis dato als unumstößlich galt?

Ich war neugierig, wollte etwas Spannendes machen, etwas, das nicht jeder macht. Wissen herausfordern, das war zudem mein Ziel. Während meiner Doktorandenzeit wurde ich damit beschäftigt, die sogenannte konfokale Mikroskopie, das damals modernste Lichtmikroskopie-Verfahren, für die Verwendbarkeit bei der Inspektion von Computerchips zu testen.

Das hat mit Auflösung erst einmal nichts zu tun.

Richtig, und an die hat auch niemand gedacht, sondern es ging in erster Linie darum, kontrastreichere Aufnahmen von Mikrolithografie-Strukturen, also von Vorläuferstrukturen von Computerchips, zu machen. An und für sich fand ich das physikalisch unspannend und langweilig (lacht).

Warum?

Das hatte mit Optik zu tun, also mit Physik des 19. Jahrhunderts, und das hat mich nicht sonderlich fasziniert. Dadurch habe ich angefangen, darüber nachzudenken, wie man daraus etwas Aufregendes machen könnte, was noch mit optischer Mikroskopie zu tun hatte, aber auch physikalisch spannend ist. Nach einigem Überlegen war das Einzige, was mir durch den Kopf gegangen ist, die Auflösungsgrenze zu knacken.

Diesen Gedanken bin ich dann nicht mehr losgeworden. Dabei war ich geleitet von meinem Gefühl, von meinem physikalischen Gedankengebäude, das ich mir während meines Studiums aufgebaut hatte. Und das sagte mir, dass da noch was drin sein muss. Meiner Intuition habe ich nie misstraut.

Im 20. Jahrhundert gab es so viele grundlegende physikalische Entdeckungen, so viel „neue Physik“ ist hinzugekommen. Da musste es doch was geben, das dazu geeignet sein sollte, diese Beugungsgrenze zu knacken. Weil ich dafür zunächst keine Unterstützung bekam, machte ich mich erst einmal selbstständig auf den Weg und entwickelte in dieser Zeit die Grundlagen der 4Pi-Mikroskopie – eine Weiterentwicklung der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie.

Der Laserstrahl zum Abtasten der Probe wird dabei geteilt und auf zwei verschiedene Objektive gelenkt, die das Objekt von beiden Seiten gleichzeitig beleuchtet beziehungsweise erfasst. So lässt sich die Auflösung in der Tiefe verbessern.

Das war eine tolle Sache, und die Bilder waren schon deutlich besser als im konfokalen Mikroskop. Am wichtigsten war aber, dass ich zeigen konnte, dass da noch was drin ist mit der Auflösung. Ich hatte auch so den Fuß in die Tür bekommen, um in der akademischen Welt für ein bis zwei Jahre zu „überleben“. Die 4Pi-Mikroskopie war zwar wichtig, aber sie war nicht fundamental. Das war mir klar.

Wie ging es dann weiter?

Am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg konnte ich dieses neue Verfahren praktisch demonstrieren. Aber ernsthaft geglaubt, dass man die Auflösung im fokussierenden Lichtmikroskop praktisch massiv steigern konnte, hat mir kaum jemand. Dann bekam ich die Möglichkeit, nach Finnland zu gehen. Und dort hatte ich dann auch die entscheidende Idee, wie man in der Fluoreszenzmikroskopie sehr wohl die Grenze fundamental überwinden kann.

Und wie?

Indem man dafür sorgt, dass ein Teil der Moleküle, die von einem gebeugten Lichtstrahl beleuchtet werden, nicht leuchten. Man trennt also die Moleküle nicht, indem man versucht, das Licht möglichst scharf zu fokussieren, sondern man macht einfach einen Teil der Moleküle aus, um nur einen anderen Teil zu detektieren, und dann umgekehrt. Ich nenne es das An-aus-Prinzip. Das STED-Mikroskop war das erste Mikroskop dieser Art.

In der STED-Mikroskopie gibt es einen fokussierten Laserstrahl, der die Farbstoffmoleküle in einer Probe zum Leuchten anregt, also anmachen kann. Darüber wird aber ein ringförmiger Strahl gelegt, der dann fast alle Moleküle ausmacht außer ein paar wenigen, die sich im Innern des Rings befinden – so sieht man nur die und kann sie von den anderen trennen.

Und das macht man dann sukzessive mit allen Molekülen, indem man die An- und Ausmach-Strahlen gemeinsam über die Probe rastert. So werden plötzlich viel kleinere Details sichtbar. Man hält also immer einen Teil der beleuchteten Moleküle dunkel.

Das war die Fundamentalidee und auch der Kerngedanke, der schlussendlich mit dem Chemienobelpreis ausgezeichnet wurde. Obwohl es im Ursprung ein physikalisches Problem war, die Moleküle dunkel zu halten, enthält es auch etwas Chemie, nämlich wenn es darum geht, Moleküle zu designen, die sich gut an- und ausschalten lassen. Das Perfektionieren des Prinzips wird in Zukunft eher eine Frage der Chemie sein. Aber im Grunde genommen ist die Lösung eine physikalische.

Wie hat der Nobelpreis Ihr Leben verändert? Und wie gehen Sie mit dem Trubel um Ihre Person um?

Es war natürlich eine große Ehre, auch wenn ich mich an diese Öffentlichkeit noch gewöhnen muss. Alles, was man sagt und tut, wird heutzutage dokumentiert, und oft landet es dann auf YouTube, ohne dass man gefragt wird, ob es einem recht ist. Dieser Preis hat schon neue Erfahrungen in mein Leben gebracht.

Was denken Sie, wie Ihre Forschungen die Life-Science-Branche revolutionieren können und werden?

Heute sind die Bilder viel besser, als sie es am Anfang waren. Das STED-Verfahren war das erste seiner Art. Alle Verfahren, die es heute gibt, egal wie sie heißen, sind fundamental mit dem STED-Verfahren verwandt. Es ist immer das An-aus-Prinzip. In vielen lebenswissenschaftlichen Laboren wird dieses Grundverfahren heutzutage genutzt und auch in Zukunft genutzt werden. Zum Beispiel im Bereich der Zellphysiologie.

Was passiert, wenn Proteine wann und wie sortiert und verteilt werden? Aber auch in der Pharmaforschung oder im Bereich der Infektionsbiologie kann und wird man hochauflösende Fluoreszenzmikroskope einsetzen – wie in allen Bereichen, in denen die Fluoreszenzmikroskopie routinemäßig Anwendung findet.

Nachdem Sie die Abbe’sche Auflösungsgrenze „gestürzt“ haben, in welche Richtung geht Ihre Forschung nun weiter?

Sie wird weitergehen, denn was ich entdeckt und als funktionierend nachgewiesen habe, ist ein Prinzip, das es nun voll auszuschlachten gilt. Je besser die Bilder und je schneller und probenschonender sie aufgenommen werden, desto mehr kann man damit entdecken.