Unta a munkáját, úgyhogy megdöntötte a fizika egyik kőbe vésett törvényét

Stefan W. Hell 2014-ben kapott Nobel-díjat stimulált emissziódepléciós eljárásáért, amivel gyakorlatilag átírta a mikroszkopikus fizika egyik kőbe vésett törvényét, amit majdnem 150 évig megdönthetetlennek hittek. A román származású német fizikus hétfőn a Semmelweis Egyetemre érkezett, hogy átvegye az intézmény legmagasabb rangú tudományos elismerését, a Semmelweis Budapest Awardot. Előadása előtt szakított pár percet arra, hogy az Origo kérdéseire válaszoljon.

Ernst Abbe német fizikus 1873-ban alkotta meg a fénymikroszkóp felbontásának elméleti határát – és majdnem 150 évig úgy hittük, hogy ez egy olyan szabály, amit valóban kőbe véstek, nem lehet sem megcáfolni, sem kikerülni. Egészen addig, amíg Stefan W. Hell fizikus (aki ma a Max Planck Biofizikai Kémiai Intézet nanobiofotonikai részlegének alapítója és igazgatója, a Heidelbergi Egyetem professzora) napi 8 órás munkáját unva újabb kihívások felé kacsingatott, és bebizonyította, hogy igenis lehet még fejleszteni a fénymikroszkópiát is.

Stefan W. Hell olyan teóriára cáfolt rá, ami 150 éve állta a helyét Fotó: Mudra László - Origo

Hell egyébként Aradon született, és csak 1978-ban vándorolt ki családjával a németországi Ludwigshafenbe. „Hogy miért ide? Anyám rettegett a szovjetektől, és úgy gondolta, hogy a Rajna túloldaláig már nem merészkednek utánunk” – mondta el a fizikus a Semmelweis Egyetemen tartott előadásán. Hell sejtette, hogy a szovjet uralom alatt álló Romániában kevesebb lehetősége lenne a tudományos munkára, mint Nyugat-Németországban, ezért ő is ösztönözte a szülőket, hogy költözzenek a német kisvárosba.

„Német ajkú család voltunk, így románul és németül is folyékonyan beszéltem. Nagyanyámék tudtak magyarul is, és

ha nem akarták, hogy értsem, amit beszélnek, mindig magyarul szólaltak meg.

Érdekes emlékek fűznek ehhez a nyelvhez” – anekdotázott Hell.

Pénzt kellett keresnie, ezért feladta az elméleti fizikát

A Heidelbergi Egyetemen végzett fizikai tanulmányai után egy mikroszkópokkal foglalkozó cégnél helyezkedett el, de borzasztóan unta a munkáját. Azért választotta ezt, mert diáktársai azt tanácsolták neki, hogy a vadregényes elméleti fizika helyett inkább olyan területet válasszon, ami pénzt is hoz a konyhára – erre pedig szüksége is volt, hiszen szülei kezdtek elszegényedni, édesanyjánál pedig rákot diagnosztizáltak, így a gyógyszerekre is rengeteget kellett költenie.

„Gondolkozni kezdtem, hogy van-e olyan területe a fénymikroszkópiának, ami érdekes lehet. A szakdolgozatomat is ezzel kapcsolatban írtam (Hogyan használjuk a fénydetektort a számítógépes chipek érzékeléséhez?), de borzasztó unalmas téma volt, ódivatú, 19. századi fizikát kellett hozzá tanulnom. Ekkor találkoztam az Abbe-féle diffrakciós határral” – mondta el az Origónak a Nobel-díjas professzor.

Lactobacillusok fénymikroszkóp alatt – a bacilusokat még látjuk, de Hell és Nobel-díjas társai segítsége nélkül ennél nagyobb felbontást nem kaphattunk volna Forrás: Wikimedia Commons

A diffrakciós határ azt a 200 nanométeres határt jelenti, amelynél a hagyományos fénymikroszkópokkal kisebb távolságra eső tárgyakat nem lehet egymástól elkülöníteni. Ez azt jelenti, hogy mondjuk egy 10 mikrométeres baktériumot vagy egy 1 mikrométeres mitokondriumot még láthatunk, ha a legprofibb fénymikroszkópba nézünk, de ezeknél jóval kisebb

vírusokat, fehérjéket vagy apró molekulákat már nem tudunk külön-külön érzékelni,

ha 200 nanométeres rádiuszon belül vannak.

Ez azért van így, mert a fény hullámként érkezik a vizsgálni kívánt területre, és a hullám tulajdonságai határozzák meg, hogy milyen lesz a területről alkotott kép. Bár a hullámhosszt lehet csökkenteni – ami a felbontás javulását eredményezi (mint például UV-vel vagy röntgennel) –, ez azonban már káros lehet az élő szövetre, vagy olyan eljárásokat igényelhet, amit egyáltalán nem is lehet élő anyagon elvégezni.

„Senki nem foglalkozott a diffrakciós határ megtörésével, mert Abbe annyira összetett és szépen kidolgozott elméletet adott hozzá, és ha egy teória ilyen, akkor a tudósok hajlamosak alapigazságnak gondolni” – magyarázta Hell.

A tudóstársadalom nem is gondolta, hogy ezt az elméletet meg kellene dönteni.”

Pedig hiába lehet sokkal pontosabb képet kapni elektronmikroszkópokkal, a tudományos kutatások nagy részét (Hell prezentációja szerint legalább 80 százalékát) fénymikroszkópokkal végzik, így egyáltalán nem indokolt, hogy ne legyenek kutatások a módszer tökéletesítése irányába.

Hell szerint a tudományos kutatások 80 százalékát még mindig fénymikroszkóppal végzik, mégis sokáig nem gondoltak a technológia javítására Fotó: Mudra László - Origo

„Először a 80-as évek végén, a mesterdiploma megszerzése közben jutott eszembe, hogy ezzel a diffrakciós határral foglalkozni kellene, de ekkor még nyolc órában más munkám volt, így gyakorlatilag hobbiként, esténként vagy a zuhany alatt tudtam rajta töprengeni” – mondta. A diploma után a korábban már említett cégnél helyezkedett el, de rettentően belefásult a munkába. „Vártam a péntek délutánt, és gyűlöltem a hétfőt. Unatkoztam. De pénzt kellett keresnem” – idézte fel az időszakot előadásában.

A világító molekulák hozták az áttörést

Végül úgy döntött, teljes idejét a téma kutatásának fogja szentelni. „Jó irányba indultam el. Rájöttem, hogy a határ átlépéséhez

nem a fényre vagy a lencsére kell fókuszálni, hanem arra az anyagra, amit vizsgálunk.

Ezzel én foglalkoztam először, és az én esetemben a fluoreszcens molekulák jelentették a megoldást.”

A fluoreszcens molekulákat például a sejtfalhoz tapadó fehérjékhez lehet csatolni, amelyek így fényt bocsátanak ki magukból, és a fénymikroszkóp számára láthatóvá válnak. Csakhogy a hagyományos módszer segítségével nem lehet egy adott fehérjét vizsgálni, hiszen az sokkal kisebb, mint a 200 nanométeres rádiusz (nagyjából 10 nanométeres), így a fényt kibocsátó fehérjéket nem lehet külön-külön megfigyelni.

Hell erre a problémára dolgozott ki megoldást, ráadásul a világon elsőként. Rájött, hogy kihasználhatja azt a tényt, hogy a fluoreszcens molekulák két különböző állapotban lehetnek (ezek közül az egyik a gerjesztett, a másik az alapállapot), és az állapotok változtatásával kiküszöbölheti a 200 nanométeres határt. Kidolgozott egy módszert: fánk keresztmetszetű (azaz belül lyukas) lézerfénysugárral világítja meg a gerjesztett állapotú molekulákat. A „fánk” kitöltött része alatt elhelyezkedő molekulák így visszatérnek alapállapotukba, és sötétekké válnak. Ezzel szemben a „fánk” közepén található, néhány nanométernyi területen levő molekulák továbbra is fényt bocsátanak ki, és elkülöníthetők a környezettől.

Az Abbe-határ valahogy így néz ki Forrás: Svéd Királyi Tudományos Akadémia/Johan Jarnestad

Belefásulni a komfortzónába

Hell STED, azaz stimulált emissziókimerítés (stimulated emission depletion) névre keresztelte a módszert, és az elméletet már 1994-ben publikálta, nehogy a gyakorlati megvalósítás nehézségei közepette más is rájöjjön a módszerre, vagy valaki plagizálja a munkáját.

„Rengeteg különböző fázison mentem keresztül a kollégákkal, amíg kifejlesztettem a módszert” – mondta az Origónak a fizikus.

Az elején még az ötletet is őrültségnek tartották,

aztán amikor érvekkel tudtam alátámasztani az elképzeléseimet, azt mondták, érdekes, de biztos, hogy nem fog működni. Amikor bebizonyítottam, hogy adott esetekben igenis jól működik, az volt a kritika, hogy univerzálisan nem lesz alkalmazható. Amikor rájöttem, hogy univerzálisan is alkalmazható a koncepció, azzal érveltek, hogy nem lesz gyakorlati haszna. Amikor tudtam, hogy mi lesz a gyakorlati haszna, azzal jöttek, hogy az élő szervezetben nem lesz hatékony. Rengeteg kritika ért. De mindenkinek azt mondom, aki tanácsot kér tőlem: ha van egy jó ötleted, valósítsd meg magad, és ne várd, hogy a világ azonnal ünnepelje. A kutatók rendszerint negatívan állnak a változásokhoz, mert kiszakítják őket a komfortzónájukból. Ezt látom a saját munkámon is, de másokkal is ugyanez a helyzet.”

Nem volt az elit tudóstársadalom tagja

Szerencsére Hell nem hallgatott a kritikusokra, így ma már létezik az úgynevezett STED-mikroszkóp, aminek gyakorlati hasznát az orvostudomány is igazolhatja. Mivel élő sejteken is tud megfigyeléseket végezni, olyan nagy felbontású, pontos képeket kaphatunk róluk, amelyek nagyon sokat segíthetnek az Alzheimer-, a HIV, a Parkinson- vagy a Huntington-kór kutatásában is. A fizikusnak pedig a felfedezés a legrangosabb tudományos elismerést, a Nobel-díjat is elhozta.

Hell szerint a tudósok rendszerint nem szeretik, ha kizökkentik őket a komfortzónájukból Fotó: Mudra László - Origo

„Amikor elkezdtem dolgozni a témán, eszembe sem jutott, hogy Nobelt érhet. Persze, tudtam, hogy ha sikerül megdönteni a diffrakciós határt, az hatalmas felfedezés lesz, de amikor nekikezdtem, nagyon szegény voltam, és nem éreztem magam a tudományos társadalom elit klubjának tagjai között. Nem a Harvardra, a Yale-re vagy a Berkeley-re jártam, nem mozogtam ilyen körökben. Azért csináltam, mert élveztem. Lenyűgözött, tudtam, hogy érdemes vele foglalkozni.

És éreztem azt is, hogy reális célokat tűztem ki, elég jó esélyeim vannak arra, hogy működjön”

– mondta a kutató.

A Nobel-díj egyértelműen megváltoztatja egy kutató életét, de kérdésemre, hogy mihez kezd most, szerényen azt válaszolta: azt fogja folytatni, amit eddig csinált. „Még mindig a tudomány a főállásom, ugyanúgy ezzel foglalkozom. Bár most több időt kell a laboratóriumon kívül töltenem, nem utazgatok annyit, mint néhány kollégám, akik konferenciáról konferenciára járnak. A csapatommal tökéletesítjük a módszert, fejlesztjük a mikroszkópot, próbálgatjuk, hogy milyen gyakorlati haszna lehet még. Egy jó darabig ezen a projekten fogok még dolgozni” – mondta.

Így működik Hell módszere Forrás: Svéd Királyi Tudományos Akadémia/Johan Jarnestad

Nem csoda, hogy a 2014-es kémiai Nobel-díj díjazottjai közül Hell kapta meg a Semmelweis Budapest Awardot – bár két kollégája is hasonló területen ért el áttörést, ő volt az első, aki felállította a diffrakciós határ áttörésének elméletét. Egyébként a Semmelweis Egyetemen, a Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetben is folyamatban van egy STED-mikroszkóp beszerzése, hogy a legmodernebb képalkotó módszerekkel tudjanak dolgozni – egy ilyen műszer ugyanis megkönnyítheti és új szintre emelheti az orvostudományi kutatásokat itthon is.