Kurs 2: Schärfer als das Licht erlaubt

Mikroskopie jenseits der Auflösungsgrenze

»Ein Bild sagt mehr als tausend Worte« – das gilt insbesondere für die Wissenschaft auf der Nanoskala.

Die Beobachtung molekularer Zellprozesse ist für deren Verständnis enorm wichtig. Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ist jedoch bei weitem nicht ausreichend: Mit bloßem Auge können wir gerade noch ein Haar sehen, aber keine Details erkennen. Daher sind Mikroskope als Hilfsmittel in der aktuellen Forschung unabkömmlich.

Lebende Zellen und Gewebe können ausschließlich mit Lichtmikroskopen beobachtet werden. Eine Herausforderung der Lichtmikroskopie ist die bereits 1873 von Ernst Abbe formulierte Beugungsgrenze. Laut dieser können zwei Objektpunkte, die weniger als eine halbe Lichtwellenlänge voneinander entfernt sind, nicht mehr als getrennte Punkte abgebildet werden. Das bedeutet, dass Details kleiner als etwa 200nm mit einem Lichtmikroskop nicht mehr aufgelöst werden können. Hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht dennoch, einzelne Biomoleküle sowie deren Lokalisierung in der Zelle zu beobachten, indem die Abbe‘sche Auflösungsgrenze ausgetrickst wird. Damit lässt sich beispielsweise die Entstehung von Alzheimer oder das Gedächtnis weißer Blutkörperchen erforschen.

Mit Kurzreferaten zu den physikalischen Grundlagen von Optik und Fluoreszenzmikroskopie steigt der Kurs in die Materie ein. Neben physikalischen Begriffen wie Auflösung und Beugung werden dabei beispielsweise auch die Erzeugung und Modifizierung von ultrakurzen Laserpulsen und Aberrationen in optischen Systemen behandelt. Aber auch andere Naturwissenschaften spielen eine Rolle, beispielsweise werden das mathematische Handwerkszeug der Fouriertransformationen und die Markierung von Biomolekülen mit fluoreszierenden Stoffen thematisiert.

Mit diesem Rüstzeug sollen im darauffolgenden Kursabschnitt konkrete Aufbauten hochauflösender Fluoreszenzmikroskope analysiert und die Physik dahinter erläutert werden. Unter anderem wird die STED-Mikroskopie behandelt, für deren Entwicklung der deutsche Physiker Stefan Hell 2014 den Nobelpreis für Chemie erhielt.

Neben dem Vermitteln des theoretischen Fachwissens wird jedoch auch selbstständiges Arbeiten und die Veranschaulichung anhand von kleineren Experimenten nicht zu kurz kommen.

In den letzten Kursstunden wird der Schwerpunkt auf dem Präsentieren des Erlernten liegen: Von Popup bis Slow-Motion soll die Vielfalt an Techniken zur wissenschaftlichen »Vulgarisierung« kennengelernt und ausprobiert werden. Abschließend wird ein kleines Projekt in Gruppenarbeit realisiert.

Teilnahmevoraussetzungen:
Gute Englischkenntnisse sowie die Bereitschaft, englische Fachtexte zu erarbeiten, sind erforderlich.

Christina Nolte, Silvia Seidlitz

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