Triumph eines Außenseiters

© Alciro Theodoro da Silva
Text von: Heidi Niemann

Vor 20 Jahren befand sich Stefan Hell in einer prekären Situation. Niemand in Deutschland wollte dem Physiker eine Anstellung geben. Zu abwegig erschien seine Idee. Hell verfolgte sie trotzdem weiter. Jetzt bekam er dafür den Nobelpreis.

Manchmal hat es auch sein Gutes, wenn etwas nicht klappt. Stefan Hell konnte das allerdings nicht wissen, als er 1995 mal wieder eine Absage bekam. Fünf Jahre nach seiner Promotion an der Universität Heidelberg wollte der Physiker eigentlich aufgeben. Es gelang ihm einfach nicht, im deutschen Wissenschaftsbetrieb Fuß zu fassen. Stefan Hell war ein Außenseiter, der nicht in die gängigen Strukturen passte. Zu abwegig erschien sein Forschungsvorhaben: Der Nachwuchswissenschaftler wollte nicht mehr und nicht weniger als die Grenzen der Lichtmikroskopie sprengen. Mehrere Jahre lang hangelte er sich von Stipendium zu Stipendium, ohne zu wissen, wie es danach weitergehen würde. Schließlich bewarb er sich resigniert als Dozent an der Fachhochschule Mannheim. Doch auch dort wollte man ihn nicht haben. Stattdessen riet man ihm, seine wissenschaftlichen Ambitionen weiterzuverfolgen. „Ich war damals sehr enttäuscht, weil ich immer noch keinerlei berufliche Perspektive hatte“, erzählt Hell.

Im Nachhinein stellte sich der Rückschlag jedoch als glückliche Fügung heraus. Als Fachhochschullehrer hätte er kaum jene verwegene Idee weiterverfolgen können, die ihn seit Jahren beschäftigte. 1873 hatte der Physiker Ernst Abbe eine Formel aufgestellt, die seitdem als unumstößliches optisches Gesetz in allen Lehrbüchern stand: Weil Licht sich als Welle ausbreitet und gebeugt wird, kann ein Lichtmikroskop nur Details auflösen, die mindestens eine halbe Wellenlänge (200 Nanometer = 200 millionstel Millimeter) voneinander entfernt sind. Ist der Abstand geringer, lassen sich die Details nicht mehr unterscheiden. Die Beugungsgrenze des Lichts macht es somit unmöglich, tiefere Einblicke in die winzigen Strukturen der Nanowelt zu gewinnen.

Die Physikwelt hatte sich mit diesem Auflösungslimit weitgehend abgefunden, mehr war mit einem Lichtmikroskop eben nicht zu machen. Einen gewissen Fortschritt gab es immerhin. Mit den zwischenzeitlich entwickelten Elektronen-, Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen ließen sich auch Strukturen im Nano- Bereich erkennen. Allerdings lassen sich mit diesen Techniken nur Details auf Oberflächen sichtbar machen, innere Vorgänge und Strukturen bleiben dem Auge weiterhin verborgen.

Auf das Thema Optik war Stefan Hell durch seinen Doktorvater an der Universität Heidelberg gekommen. In seiner Dissertation ging er der Frage nach, wie man die Konfokal-Mikroskopie für die Vermessung von lithografischen Mikrostrukturen auf Computerchips verwenden kann. Seine Begeisterung für das Thema hielt sich allerdings in Grenzen: „Mir war das zu anwendungsbezogen. Ich wollte mich viel lieber mit grundlegenderen Fragen der Physik beschäftigen.“ Zum Beispiel, ob man aus der herkömmlichen Optik nicht noch viel mehr herausholen kann. Da er für diese Idee keinen akademischen Förderer fand, war er nach seiner Promotion zunächst als freier Erfinder tätig und meldete schon bald sein erstes Patent an: Hell hatte einen Weg gefunden, wie man die Tiefenauflösung deutlich erhöhen kann. Er koppelte zwei Objektive miteinander und legte damit die Grundlagen für die so genannte 4Pi-Mikroskopie. Dank eines Stipendiums bekam er eine Stelle als Postdoc am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg, wo er das neue Verfahren experimentell erproben konnte.

Für Stefan Hell war die 4Pi-Mikroskopie jedoch erst der Anfang, er wollte viel weiter gehen. „Ich hatte so ein Bauchgefühl, dass es einen Weg geben müsste, um das Auflösungslimit in der Lichtmikroskopie auszuhebeln“, sagt der Physiker. Um seine Idee weiterverfolgen zu können, hätte er jedoch ein Labor gebraucht. Inzwischen war jedoch sein Stipendium ausgelaufen, und niemand in Deutschland wollte ihm die Chance geben, diese Idee umzusetzen. Sein Doktorvater war auf Tieftemperaturphysik ausgerichtet, nicht auf Optik. Optik war in den 1990-er-Jahren ohnehin nicht besonders angesagt. Angesagt waren die Elementarteilchen- und Festkörperforschung. Für Querdenker wie Stefan Hell, die sich abseits des Mainstreams bewegten, gab es weder Forschungsgelder noch Stellen.

Ein finnischer Laborkollege, der von Heidelberg nach Finnland zurückgekehrt war, holte ihn aus der Sackgasse heraus. Er vermittelte ihm den Kontakt mit einem Professor an der Universität Turku, der Fluoreszenzverfahren für die medizinische Diagnostik erprobte. Dieser bot ihm die Leitung einer Forschergruppe an. „Die Finnen haben mir in dieser kritischen Anfangsphase etwas zugetraut“, sagt Hell.

In Finnland kommt ihm der entscheidende Geistesblitz. Als er an einem Wochenende in seinem Studenten-Appartement in einem Buch über Quantenoptik blättert, stößt er auf die stimulierte Emission. Für Hell ist es ein ,Heureka‘-Erlebnis. Mit diesem Trick, denkt er, könnte es funktionieren: Man muss die Energiezustände von Molekülen so beeinflussen, dass gleichartige Moleküle unterscheidbar werden; bei fluoreszenten Markermolekülen, mit denen man in den Lebenswissenschaften die interessierenden Proteine normalerweise markiert, sind es ein ‚an‘- und ein ‚aus‘-Zustand. Bislang hatte man den Effekt der stimulierten Emission in der Fluoreszenzmikroskopie noch nicht genutzt; doch stimulierte Emission macht Moleküle ,aus‘. Normalerweise richtet man einfach nur einen Laserstrahl auf die Fluoreszenzmoleküle, damit sie zu fluoreszieren beginnen. Hell überlegt, ob man diesen Effekt nicht auch anders nutzen kann, indem man Moleküle bei der Fluoreszenz nicht nur anregt, sondern auch abregt, also ausmacht. „Wenn ich zwei Punkte nicht trennen kann, weil beide leuchten“, so seine Überlegung, „mache ich eben einen Punkt dunkel. Und dann sieht man den anderen Punkt.“

Die ersten Versuche sind vielversprechend. Stefan Hell kann zeigen, dass das Prinzip funktionieren müsste, seine berufliche Existenz bleibt aber völlig ungesichert. Er lebt aus dem Koffer, hat keine Sozialversicherung, lediglich ein Auto mit Schrottwert. Seine Reisen zu Kongressen und Konferenzen, auf denen er das von ihm entwickelte STEDPrinzip (Stimulated Emission Depletion) vorstellt, muss er selbst bezahlen. In dieser prekären Lage bewirbt er sich um die Stelle als Fachhochschullehrer in Mannheim, bekommt aber auch dort eine Absage. Glücklicherweise bewilligt ihm die Europäische Kommission ein weiteres Stipendium.

Kurz darauf wird der damalige geschäftsführende Direktor des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen, Thomas Jovin, auf Hells Projekt aufmerksam. Jovin ist der erste, der die Tragweite des neuartigen Ansatzes erkennt. Er lädt den Physiker ein, sein Konzept in Göttingen vorzustellen. Dort ist man interessiert an seinem Projekt. „Das war meine Rettung“, sagt Hell. Bis dahin sei ihm gar nicht so klar gewesen, welche Bedeutung seine Innovation für die biochemische und medizinische Forschung haben könnte. Jetzt wird für ihn ein Traum wahr: Hell bekommt an dem international renommierten Institut, das bereits zwei Nobelpreisträger hervorgebracht hat, ab 1997 eine Fünf-Jahres-Stelle als Leiter einer selbständigen Nachwuchsgruppe. Damit hat er zum ersten Mal die Möglichkeit, ein eigenes Labor aufzubauen und die Technik zu entwickeln.

Er baut eine Apparatur, die mit zwei Lasern bestückt ist. Ein Laser regt die Probe zu der Fluoreszenz an. Der zweite Laser ist so gesteuert, dass er nur in einem sehr kleinen Ausschnitt das Nachleuchten zulässt. Der übrige Bereich wird dagegen im Dunkeln gehalten. Mit diesem Trick lassen sich Objekte im Nanometerbereich voneinander trennen. Drei Jahre später erzielt Stefan Hell den entscheidenden Durchbruch. Er kann nachweisen, dass er die Beugungsgrenze geknackt hat. Doch auch jetzt stößt er immer noch auf Skepsis. Die beiden international führenden wissenschaftlichen Zeitschriften ‚Science‘ und ‚Nature‘ wollen seine Arbeit nicht veröffentlichen. Andere erkennen dagegen sofort, dass dies eine wissenschaftliche und technologische Revolution ist. 2000 bekommt er von der International Commission for Optics seinen ersten Wissenschaftspreis verliehen. Dann geht es Schlag auf Schlag. In den Folgejahren bekommt Stefan Hell so gut wie alle hochkarätigen deutschen Wissenschaftspreise, die in seinem Fach zu vergeben sind.

Nachdem er jahrelang mit seinem Projekt hausieren gehen musste, reißen sich nun plötzlich renommierte Universitäten und Forschungseinrichtungen im In- und Ausland um ihn. Trotz der attraktiven Angebote entscheidet er sich, in Göttingen zu bleiben. „Göttingen ist ein guter Standort für Spitzenforschung“, sagt Hell. Das Max-Planck-Institut ernennt ihn zum Direktor und überträgt ihm die Leitung einer neu einzurichtenden Abteilung. Seit 2003 leitet Hell außerdem die Abteilung Hochauflösende Optische Mikroskopie am Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg. Er ist ferner außerplanmäßiger Professor für Physik an der Universität Heidelberg und Honorarprofessor für Experimentalphysik an der Universität Göttingen.

Mittlerweile wissen auch ‚Nature‘ und ‚Science‘ seine Leistung zu würdigen. ‚Science‘ bezeichnete die STED-Mikroskopie als einen der wichtigsten Durchbrüche im Jahr 2006, ‚Nature Methods‘ feierte sie 2008 als Methode des Jahres. Kein Wunder, dass Hell schon seit einigen Jahren als Kandidat für den Nobelpreis galt. Trotzdem waren viele überrascht, als das Komitee Anfang Oktober seine Entscheidung verkündete. Der Physiker bekommt nicht wie erwartet den Preis für Physik, sondern den Preis für Chemie. Offenbar gibt es auch im Nobelpreis-Komitee Querdenker.

Zur Person

Stefan Hell (geb. 1962 in Arad, Rumänien) studierte Physik in Heidelberg, wo er 1990 promovierte und sich 1996 habilitierte. Nach kurzer Zeit als freier Erfinder ging er zunächst für zwei Jahre an das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg. Zwischen 1993 und 1996 forschte er an der Universität Turku in Finnland sowie in Oxford. 1997 wechselte er zum Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, wo er 2002 zum Direktor berufen wurde. Hell leitet dort die Abteilung NanoBiophotonik, außerdem ist er Leiter einer Arbeitsgruppe am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg. 2003 wurde er als außerplanmäßiger Professor an der Uni Heidelberg berufen, 2004 zusätzlich zum Honorarprofessor für Experimentalphysik der Uni Göttingen ernannt. Am 10. Dezember 2014 wurde ihm der Nobelpreis für Chemie verliehen. Hell ist verheiratet und hat zwei Söhne und eine Tochter.