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Stefan Hell - Nobelpreis für einen Querdenker

Stefan Hell erhält für die Entwicklung der STED-Fluoreszenzmikroskopie, mit der die bislang für unumstößlich gehaltene optische Auflösungsgrenze überwunden wird, den Nobelpreis 2014 für Chemie. Aber als ein Entwickler sieht sich Hell nicht. Seine Leidenschaft gilt den wissenschaftlichen Grundlagen, dem Erkennen von Zusammenhängen und der Erforschung von neuen, bislang unbetretenen Wegen.

Stefan Hell und sein Team am Deutschen Krebsforschungszentrum. © DKFZ

Dass Stefan Hell den Nobelpreis erhalten würde, war nur eine Frage der Zeit, erklärte Professor Otmar Wiestler, der Vorstandsvorsitzende des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) in Heidelberg, als das Stockholmer Komitee am 8. Oktober 2014 die Entscheidung bekannt gab, dem Physiker Stefan Walter Hell den diesjährigen Nobelpreis für Chemie „für die Entwicklung der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie“ zu verleihen. Seit Jahren schon stand er auf der Kandidatenliste. Trotzdem konnte er es nicht glauben und hielt den Anruf zunächst für einen Scherz. „Glücklicherweise erkannte ich dann die Stimme von Professor Mormark, dem Sekretär der schwedischen Wissenschaftsakademie“, sagte er in der eilig einberufenen Pressekonferenz.

Professor Stefan Hell ist Direktor am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen und leitet dort die Abteilung für NanoBiophotonik. Zugleich ist er Leiter der Abteilung Optische Nanoskopie am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg. Hier werden die von ihm entwickelten mikroskopischen Verfahren in der medizinischen und biologischen Grundlagenforschung eingesetzt. In beiden Universitätsstädten freut man sich jetzt mit Hell über die höchste wissenschaftliche Auszeichnung, die ein Forscher erringen kann.

Frühe Jahre

Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Stefan W. Hell. © Helmholtz-Gemeinschaft

Stefan Hell wird 1962 in Arad, Rumänien, im Banat nahe der ungarischen Grenze geboren und verbringt seine Kindheit im damals noch mehrheitlich deutschsprachigen Dorf Sanktanna/Sântana. Dort besucht er die deutsche Schule und anschließend in Temesvar/Timişoara das Nikolaus-Lenau-Lyzeum - die gleiche Schule, an der auch die etwas ältere Herta Müller als Lehrerin tätig war, die Literaturnobelpreisträgerin von 2009. Hier belegt Hell Spezialklassen für Mathematik und Physik. Seine Mutter, eine Lehrerin, und sein Vater, ein Ingenieur, fördern bewusst seine Begabung in den Naturwissenschaften - auch aus dem praktischen Grund, dass diese weniger von der kommunistischen Ideologie eingefärbt waren als Fächer wie Geschichte und Literatur. Mit Naturwissenschaften würde man überall etwas anfangen können. Den meisten Angehörigen der deutschen Minderheit im Banat ist es schon damals in den 1970er Jahren klar gewesen, dass man Rumänien verlassen würde, wenn sich die Möglichkeit böte.

Die Übersiedlung der Familie 1978 in die Bundesrepublik Deutschland, nach Ludwigshafen, empfindet der 15-Jährige als Befreiung. Es sei toll gewesen, in einem Land zu sein, in dem die Muttersprache Landessprache ist. In der Schule ist er den Mitschülern in Physik, Biologie und Chemie weit voraus, aber auch in Deutsch ist er Klassenbester. Besonders interessieren ihn Linguistik und Etymologie, das Erkennen, wie Sprachen entstehen und Wörter beispielsweise in den verschiedenen germanischen Sprachen miteinander zusammenhängen.

Hier im ältesten Gebäude des Technologieparks Heidelberg arbeitete Stefan Hell als Doktorand der Universität Heidelberg. © Technologiepark Heidelberg

Das Erkennen von Zusammenhängen ist auch Triebfeder im Physikstudium, das er nach dem Abitur 1981 an der Universität Heidelberg aufnimmt und 1987 mit dem Diplom abschließt. Anschließend promoviert er mit dem Thema „Abbildung transparenter Mikrostrukturen im konfokalen Mikroskop“. Dieses damals neue Mikroskop, bei dem ein fokussierter Laserstrahl das Objekt abrastert, ist herkömmlichen Geräten in der Tiefenschärfe überlegen; damit untersucht Hell Halbleiterchips. Sein Doktorvater, der Tieftemperaturphysiker Siegfried Hunklinger, war Mitbegründer der mit der Entwicklung von Konfokalmikroskopen befassten Start-up-Firma Heidelberg Instruments. Diese wurde dann teilweise vom Optikunternehmen Leica Microsystems übernommen.

Während der Doktorand im Technologiepark Heidelberg fokale Lichtverteilungen berechnet, kommt ihm die Idee, dass man mit zwei Objektiven durch Überlagerung der Strahlen die axiale Auflösung der Mikroskope um das Mehrfache steigern kann. Nach seiner mit „Summa cum laude“ bewerteten Dissertation 1990 ist Hell als freier Erfinder tätig, wie es in seinem Lebenslauf heißt. Er entwickelt die Grundzüge für das sogenannte konfokale 4Pi-Mikroskop und meldet mit dem Geld, das er von seinen Großeltern als Startkapital geschenkt bekommen hat, ein Patent an.

Von 1991 bis 1993 ist er Postdoktorand in der Light Microscopy Group am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL). Dort kann er dank der Unterstützung der Professoren Reinhard Neumann und Christoph Cremer vom Physikalischen Institut der Universität mit einem Stipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an der Verbesserung der mikroskopischen Auflösung arbeiten. 2004 wird Leica Microsystems dann das erste auf Hells Entwicklung der 4Pi-Technologie basierende kommerzielle Mikroskop auf den Markt bringen.

Ein Entwickler ist er nie gewesen

Lokalisation Amyloid-Precursor-Protein in Mausneuronen mit dem STED-Mikroskop im Vergleich zum Konfokalmikroskop. Kooperation mit Dr. S. Kins am Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg. © DKFZ
Im Rückblick sagt Hell, dass die Biologen ihn vielleicht als jemanden gesehen haben, der Geräte für sie entwickelt, „doch ein Entwickler bin ich nie gewesen.“ Seine Leidenschaft gilt weniger dem technischen Fortschritt als der Grundlagenforschung: Wo andere glauben, die endgültige Antwort zu kennen, geht er physikalischen Fragen erneut auf den Grund. Nach dem 1873 von Ernst Abbe aufgestellten Kriterium ist die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops unumstößlich durch die Beugung der Lichtwellen vorgegeben; sie liegt bei etwa der halben Wellenlänge des Lichts – im besten Fall bei ca. 200 nm. Aus seinen Berechnungen der Lichtfeldverteilungen schließt Hell jedoch, dass es im abzubildenden Material Übergänge von Molekülzuständen geben muss, die eine Durchbrechung der Beugungsgrenze erlauben. Doch in Deutschland findet Hell keine Perspektive zur weiteren Erforschung der optischen Hochauflösung. Sein Kollege Pekka Hänninen am EMBL vermittelt ihm einen Vortrag vor Gutachtern der Finnischen Akademie. Hell erhält eine Stelle als Leiter einer Projektgruppe bei Erkki Soini an der Universität Turku in Finnland. Hier hat er im Herbst 1993 die entscheidende Idee, wie die Beugungsgrenze mit fluoreszierenden und durch „stimulierte Emission“ vorübergehend ausgeschalteten Molekülen überwunden werden kann. In den folgenden Jahren muss Hell beweisen, dass die „stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy (STED-Mikroskopie) nicht nur in der Theorie, sondern auch praktisch möglich ist (s. "Entwicklung und Anwendungen der hochauflösenden STED-Mikroskopie", Link rechts).

Jahre der Anerkennung

Da die der STED-Technologie zugrunde liegende Physik korrekt ist, weicht die Skepsis, die ihm in Fachkreisen zunächst entgegenschlägt, mit den Jahren allmählich der Anerkennung. 1996 habilitiert sich Hell in Physik extern an der Universität Heidelberg; im gleichen Jahr erhält er das Angebot, eine selbstständige Nachwuchsgruppe am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen zu leiten. Mit dem Wechsel von Turku nach Göttingen ist die Zeit, in der er sich mühsam mit schlecht bezahlten Stipendien durchschlagen musste, vorbei. Für sein Projekt der Hochauflösung holt er sich nicht nur begabte Physiker für die Optik, sondern baut auch für die Entwicklung geeigneter Farbstoffe eine Chemie-Gruppe und für die Anwendungen der neuen Mikroskopie eine Biologie-Gruppe auf. 2002 kann er der Fachwelt ein Mikroskop vorstellen, mit dem er die Auflösung um mehr als das Zehnfache über die Abbe-Grenze hinaus gesteigert hat. Die Max-Planck-Gesellschaft vergibt die Lizenz zu seinem Bau an Leica Microsystems, die 2007 das erste STED-Mikroskop auf den Markt bringt. Bei dessen Entwicklung bewähren sich Hells Kontakte aus der Zeit als Doktorand im Technologiepark Heidelberg.

Trotz zahlreicher hochattraktiver Angebote aus dem In- und Ausland bleibt er am Göttinger Max-Planck-Institut, das ihn 2002 zum Wissenschaftlichen Mitglied und Direktor mit einer eigenen Abteilung „NanoBiophotonik“ macht - mit allen Freiheiten zu erforschen, was er für interessant hält. Er wird außerplanmäßiger Professor für Physik an der Universität Heidelberg und später auch Honorarprofessor für Experimentalphysik an der Universität Göttingen. Das DKFZ in Heidelberg errichtet für ihn eine eigene Abteilung „Optische Nanoskopie“, in der Hell mit seinem Team die STED-Mikroskopie in der medizinischen Grundlagenforschung weiter vorantreibt.

Stefan Hell wird Mitglied und Ehrenmitglied angesehener wissenschaftlicher Akademien, erhält die Ehrendoktorwürde der Universitäten Turku, Arad und Bukarest und wird mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, darunter dem Leibniz-Preis der DFG, dem Otto-Hahn-Preis und dem Göteborger Lise-Meitner-Preis, dem Meyenburg-Preis, der Carus-Medaille der Leopoldina und schließlich, im September 2014, dem mit insgesamt einer Million Dollar dotierten Kavli-Preis im Bereich Nanowissenschaften. Die Krönung seiner Laufbahn aber ist der Nobelpreis, den er am 10. Dezember 2014, kurz vor seinem 52. Geburtstag, in Stockholm entgegennehmen wird - zusammen mit den US-Amerikanern Eric Betzig und William E. Moerner, die unabhängig von ihm Grundlagen für eine Einzelmolekül-Mikroskopie und die Überwindung der Beugungsgrenze gelegt haben.

Die höchste in der Wissenschaft vergebene Anerkennung wird seine Forschung im Nanometerbereich weiter beflügeln. Was sich aus den Möglichkeiten molekulare Prozesse „live“ zu beobachten vor allem für die Lebenswissenschaften ergibt, ist noch kaum abzuschätzen. Nachdem ihm jetzt der Nobelpreis zuerkannt wurde, hat das DKFZ die Einrichtung einer auf fünf Jahre finanzierten Nachwuchsgruppe beschlossen, die Hells Namen tragen wird. So wird er auch zukünftig gern und oft nach Heidelberg kommen, auch wenn Göttingen inzwischen Heimat geworden ist. Neben einem Institut von Weltrang hat er dort - mit seiner Frau, einer Ärztin am Universitätsklinikum, den inzwischen neunjährigen Zwillingssöhnen und dem Töchterchen - eine schöne Wohnung mit traumhaftem Blick auf die Altstadt, und gelegentlich kommt er sogar dazu, seinem Hobby nachzugehen, dem Saxophon-Spielen. Im Interview mit dem Göttinger Tageblatt erklärt Stefan Hell, dass er sich nur mit dem Wetter nicht so gut anfreunden kann. Aufgewachsen im Banat, in der sommerheißen ungarischen Tiefebene, ist es ihm zu kühl. Heidelberg ist wärmer.

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