Chemie-Nobelpreis für deutschen Mikroskopie-Pionier
Den Nobelpreis für Chemie 2014 erhalten drei Forscher, die die Auflösungsgrenzen der Lichtmikrokopie bis in den Bereich einzelner Moleküle verschoben haben. Der deutsche Stefan Hell erreichte dies mit der von ihm entwickelten STED-Mikroskopie, die beiden US-Forscher Eric Betzig und William Moerner entwickelten unabhängig davon eine andere, ebenfalls bahnbrechende Methode.
Lange galt die Lichtmikroskopie als ausgereizt und für höhere Auflösungen ungeeignet: Strukturen, die weniger als 200 Nanometer auseinander liegen, so die seit rund 130 Jahren unangefochtene Lehrmeinung, könnten unter dem Lichtmikroskop nicht scharf voneinander getrennt werden. Doch Stefan Hell und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie ließen sich davon nicht abschrecken: Sie suchten nach einer Möglichkeit, um einzelne Moleküle mittels Fluoreszenz scihtbar zu machen.
Mit der Stimulated Emission Depletion Mikroskopie (STED) gelang den Wissenschaftlern tatsächlich der Durchbruch. Dabei verwendeten sie zusätzlich zum energiereichen Lichtstrahl, der für die Anregung der Fluoreszenzmarker sorgt, einen ringförmigen zweiten Strahl, der angeregte Fluoreszenzmarker wieder abregt. Eine Auflösung von unter 20 Nanometer erreichten die Forscher auf diese Weise – und unterboten damit die vermeintliche Auflösungsgrenze der Lichtmikroskopie um mehr als das Zehnfache.
William Moerner und Eric Betzig nutzen eine andere Technik, um die Abbesche Auflösungsgrenze zu unterschreiten. Moerner hatte entdeckt, wie sich die Moleküle eines Quallenproteins so beeinflussen lassen, dass man ihr grünes Fluoreszieren durch gezielte Bestrahlung an und abschalten kann. Betzig baute darauf auf und entwickelte eine Methode, bei der diese Proteine abwechselnd angeschaltet und zeitversetzte Aufnahmen davon erstellt werden. Durch die Überlagerung der Bilder ließensich so selbst Moleküle abbilden, die näher als 200 Nanometer beisammen lagen.
Die von den drei Forschern entwickelten Mikrokopie-Techniken gehören heute längst zum Repertoire von Laboren weltweit. Sie haben bereits zahlreiche neue Einblicke in die Vorgänge im Inneren lebender Zellen geliefert.
Physik-Nobelpreis für die blaue LED
Die Erfindung, die mit den diesjährigen Nobelpreis für Physik geehrt wird, hat längst Einzug in unseren Alltag gehalten. Denn es geht um die blaue LED – die Leuchtdiode, die weißes LED-Licht erst möglich machte. Entwickelt wurde sie den japanischen Forschern Isamu Akasaki und Hiroshi Amano sowie unabhängig von ihnen Shuji Nakamura.
Die ersten Leuchtdioden wurden bereits in den 1950er Jahren erfunden und erweisen sich als enorm effizient und energiesparend. Doch es gab ein Problem dabei: Um die LEDs als effizientes Leuchtmittel einsetzen zu können, brauchte man weißes Licht. Jahrzehnte lang suchten Forscher in aller Welt nach Möglichkeiten, blaue und UV-LED zu produzieren, zunächst aber vergeblich.
Grundlage der Leuchtkraft ist ein Halbleiterkristall, der in einer Schicht einen Elektronenüberschuss, in der anderen einen Mangel – die sogenannten Löcher - besitzt. Fließt durch diese Halbleiter Strom, dann können sich die Elektronen mit den Löchern kombinieren und geben dabei Energie in Form von Licht ab. Das Halbleitermaterial bestimmt dabei, welche Wellenlänge das ausgesendete Licht hat – und damit auch, welche Farbe das Licht einer LED hat. Mit dem Halbleiter Galliumnitrid gelang es den drei Forschern Anfang der 1990er Jahre, das lange gesuchte blaue Licht zu erzeugen.
Medizin-Nobelpreis für das GPS in unserem Gehirn
Den Medizin-Nobelpreis 2014 erhalten der US-Forscher John O'Keefe und das norwegische Forscherpaar May-Britt und Edvard Moser. Sie enträtselten eine der großen Fragen der Hirnforschung: Wie erzeugt unser Gehirn eine mentale Karte unserer Umwelt? Jeder Mensch verfügt über einen Ortssinn: Wir merken uns, wo wir uns in Bezug auf Landmarken befinden, finden quasi im Schlaf den täglichen Weg zu unserer Arbeit oder wieder nach Hause und verfügen über eine mehr oder weniger umfangreiche mentale Karte unserer Umgebung, aber auch anderer Orte, die wir einmal besucht haben.
Der US-Forscher John O'Keefe arbeitete am University College London, als er den Ortssinn von Ratten untersuchte. Wie er feststellte, wurden bei den Ratten je nach ihrer Position im Raum ganz unterschiedliche Hirnzellen im Hippocampus aktiv. Durch weitere Untersuchungen erkannte der Forscher, dass diese "Ortszellen" nicht nur einfach auf visuelle Reize reagierten, sondern dass ihre Aktivität die spezifische Erinnerung an jeden Ort erzeugt. Für diese Erkenntnis und die Entdeckung der "Ortszellen" erhält John O'Keefe nun den Medizin-Nobelpreis 2014.
Ein weiterer Schritt in der Entschlüsselung unseres inneren GPS-Systems gelang anschließend dem norwegischen Forscherpaar May-Britt und Edvard Moser. Ebenfalls in Versuchen mit Ratten entdeckten sie, dass das Gehirn sich nicht nur Orte merkt, sondern dafür sogar eine Art internes Koordinatensystem nutzt. Es besteht aus Zellen im Schläfenlappen, deren Aktivierungsmuster die Position der Ratten im Raum ähnlich wie in einem Koordinatensystem widerspiegelte.
Zusammen mit dem Ortszellen im Hippocampus bilden diese Zellen damit ein komplettes inneres GPS und ermöglichen es uns, uns im Raum zurechtzufinden und mentale Karten unserer Umgebung anzulegen. "Die Entdeckung dieses Navigationssystems unseres Gehirns repräsentiert einen Paradigmenwechsel in unserem Verständnis darüber, wie spezialisierte Zellen zusammenarbeiten, um höhere geistige Leistungen zu vollbringen", heißt es in der Presseerklärung der Nobel Foundation.
