Nytt mikroskop bryter ljusvallen

En vit, liten mus ligger bedövad med huvudet under ett mikroskop. Genom ett hål i skallbenet tittar forskarna rakt in på mushjärnan. Med detta speciella mikroskop kan de tydligt se så kallade dendritiska utskott, de extremt små trådar som sköter kommunikationen mellan nervcellerna. Så fina detaljer har ingen tidigare lyckats urskilja i en levande hjärna.

Bakom experimentet, som rapporterades i tidskriften Science i våras, står fysikern Stefan Hell och hans kolleger vid Max Planck-Institut für biophysikalische Chemie i Göttingen, Tyskland. Med deras metod kan man kartlägga vad som händer i en levande hjärna. Till exempel ska man kunna följa hur minnen skapas. Framgången bygger främst på deras mikroskop som ger upp till tio gånger högre upplösning än vanliga ljusmikroskop. Det avslöjar detaljer bortom gränsen för vad man tidigare trodde var möjligt.

Ljusets vågegenskaper gör det omöjligt att fokusera en ljusstråle till en punkt mindre än halva ljusets våglängd. Därför var det länge en vedertagen sanning att halva ljusets våglängd sätter stopp för hur små detaljer som går att se i ett mikroskop – den så kallade diffraktionsgränsen. För synligt ljus handlar det om ungefär en femtedels mikrometer.

Patentlösningen för att skaffa sig högre upplösning har därför varit att använda kortare våglängder, till exempel röntgenljus eller elektroner. Men både röntgen- och elektronmikroskop är betydligt mer komplicerade att använda än mikroskop för vanligt synligt ljus. Dessutom skadar de levande material, vilket i många sammanhang gör dem omöjliga att använda inom de biologiska vetenskaperna, särskilt vid studier av levande celler.

– Men modern biovetenskap kräver just det – att kunna se olika biomolekylers specifika roll i en miljö av levande celler, säger Stefan Hell.

Under sin tid som doktorand i Heidelberg i slutet av 1980-talet blev Stefan Hell mer eller mindre besatt av idén om att försöka förbättra ljusmikroskopets upplösning, bortom diffraktionsgränsen.

– Jag blev övertygad om att det måste finnas ett sätt att göra det på, kanske genom att utnyttja någon egenskap i själva preparatet.

Men vad det skulle vara hade han ingen aning om. På fritiden började han plöja läroböcker inom fysikens olika områden för att få idéer. Och genom en biologistudent på handledarens mikroskopföretag blev han bekant med fluorescensmikroskopi. Det går ut på att med hjälp av färgämnen göra delar av provet, till exempel en viss sorts molekyler, självlysande när de belysts med laserljus. Metoden är mycket känslig för detaljer. Men den begränsade upplösningen gör att det inte går att särskilja de minsta, närliggande elementen.

Några år senare, en lördagsförmiddag hösten 1993, fann Stefan Hell till slut vad han sökte i en lärobok om kvantoptik: stimulerad emission. Han insåg att han med en ringformad laserstråle skulle kunna släcka de självlysande molekylerna överallt utom i en punkt. Punkten var långt mindre än den tidigare bästa upplösningen. Därmed hade han sin princip för förbättrad upplösning. Metoden kallade han för stimulated emission depletion, STED.

Han publicerade sin idé i en vetenskaplig tidskrift och presenterade den på flertalet konferenser. Men intresset var mycket svalt. Ingen nappade på att försöka bygga ett STED-mikroskop.

– Själv hade jag inte tillräckliga medel för att göra det, säger Stefan Hell.

Hans tjänst vid Åbo universitet i Finland gick ut. Det var en tuff tid och han fick hanka sig fram.

– Jag var på vippen att hoppa av vetenskapen. I efterhand gör det mig lite rädd: finns det många människor med viktiga vetenskapliga idéer som vi tappar?

Till slut fick han en anställning vid Max Planck-institutet i Göttingen. Och 1999 kunde han äntligen experimentellt visa att STED-konceptet funkar. Och därefter har han fått allt större gehör från omvärlden och belönats med en lång rad priser.

– Det är ingen tvekan om att det är ett genombrott, säger Nils Åslund, professor emeritus vid Kungliga tekniska högskolan i Stockholm och pionjär inom lasermikroskopi.

Inom biologi och medicin innebär det att forskarna nu kan se saker ända ner på molekylnivå, utan att skada preparatet.

– Man kan till exempel se hiv-virus och få bättre förståelse för de molekylära förlopp som leder till en infektion. Eller så kan vi följa processer i hjärnans neuroner. Även inom materialvetenskaperna finns det många användningsområden, berättar Stefan Hell.

En som numera använder STED-mikroskop i sin forskning är Jerker Widengren, professor i experimentell biomolekylär fysik vid Kungliga tekniska högskolan i Stockholm. För hans forskargrupp har verktyget bland annat inneburit att de, i samarbete med andra forskargrupper, kunnat utveckla en metod för att i ett tidigt skede upptäcka bröst- och prostatacancer i prover tagna med finnål.

– Rent generellt betyder det mycket för de biologiska och medicinska vetenskaperna att kunna få högre upplösning vid molekylär avbildning i celler, säger Jerker Widengren.

Utvecklingen av en ny typ av laser har dessutom gjort STED-mikroskopet betydligt enklare att handskas med. Det har nu all möjlighet att bli varje forskares verktyg.

Stefan Hell och hans kolleger har kommit ner till en upplösning på bara 40 nanometer vid studier av levande celler.

– Men jag tror inte att det är slutet. Det finns ingen fix gräns för upplösningen i STED-mikroskopi, förutom molekylernas egen storlek. Upplösningen beror bara på vår förmåga att stänga av och sätta på molekylernas fluorescens.

Deras senaste stora framsteg är ett självlysande protein som går att släcka och tända. Nu ska de genetiskt programmera möss att producera proteinet.

– Det tar ungefär ett år att få fram de genmodifierade mössen. Sedan kan vi titta in i en levande mushjärna med ännu bättre detaljrikedom än i dag. Kanske kan vi se hur minnen skapas eller lära oss mer om hjärnsjukdomar, säger Stefan Hell.