Guten Morgen zusammen.
Es ist mir eine besondere Freude, hier zu sein, und ich freue mich sehr über diese Möglichkeit, zu jungen Wissenschaftlern zu sprechen.
Zunächst ein kleiner Überblick über den folgenden Vortrag.
Ich beginne mit einem geschichtlichen Überblick, damit Sie ein Gefühl für die Geschehnisse
in den Anfangstagen der Entdeckung einzelner Moleküle erhalten.
Dabei handelt es sich um eine schöne Geschichte der Spektroskopie sowie der Statistik, hoffentlich sind Sie jetzt wach.
Wir werden in Kürze auch ein wenig über Mathematik sprechen.
Etwa in der Mitte werde ich über einige Dinge sprechen, die Sie selbst nutzen können.
Die Sie als Studenten und junge Wissenschaftler nutzen können, um Freunden Moleküle und molekulare Fluoreszenz zu zeigen.
Dann spreche ich über die Idee der Super-Resolution und wie sie funktioniert und gebe zum Schluss einige Beispiele.
Zunächst einmal zurück zur Geschichte.
Gehen wir zurück in die Mitte der 1980er-Jahre und in eine Zeit, in der viele erstaunlich Dinge passierten,
übrigens hervorgebracht von vielen Nobelpreisträger, die ebenfalls hier sind.
Leute schauten sich einzelne Ionen in einer Vakuumkammer an und betrachteten einzelne Quantensysteme auf verschiedene Weisen.
Und die Frage kam auf, warum nicht auch Moleküle?
Sollte es nicht möglich sein, so wie diese einzelnen Ionen auch ein einzelnes Molekül zu betrachten?
Natürlich gab es da gewisse Probleme.
Der großartige Physiker und Mitbegründer der Quantenmechanik, Erwin Schrödinger, schrieb 1952, dass wir nie
mit einem einzelnen Atom, Elektron oder Molekül experimentieren.
Er hatte so ein Gefühl, aber hierin steckt auch die Gefahr: zu sagen, was nicht möglich ist, wenn Sie so wollen (lacht).
Es gab aber viele andere Leute, die meinten, dass die optische Entdeckung eines einzelnen Moleküls sehr schwierig wäre.
Ich muss Ihnen also zunächst erklären, wie es dazu kam, dass man es überhaupt für möglich hielt.
Dazu muss ich ein wenig über Spektroskopie sprechen.
Denken Sie also an diese Art von Molekül, es handelt es um ein Terylen-Molekül.
Es besitzt konjugierte Pi-Systeme, absorbiert also im Lichtspektrum und unter Raumtemperatur
könnte man sein UV-VIS-Spektrum messen und würde Absorptionsbanden sehen.
Aber lassen Sie es uns auf niedrige Temperatur herunterkühlen, zu einer festen, transparenten Masse aus para-Terphenyl.
Durch das Herunterkühlen beseitigt man natürlich alle Phonone und die Absorptionslinien werden sehr, sehr schmal.
So schmal, dass ich Ihnen nun diese Absorptionslinien hier zeige, dies ist der erste elektronische Übergang, es gibt nicht wirklich
vier davon, es gibt innerhalb des Kristalls vier verschiedene Ansichten, also stellen Sie es sich
als niedrigsten elektronischen Übergang des Moleküls vor und dass es sehr schmal geworden ist.
Selbst die Breite können wir nicht sehr gut sehen.
Dehnen wir also den Maßstab ein wenig, um mehr hochauflösendes Spektrum zu erhalten und diese Linien scheinen hier behoben zu sein.
Sie haben aber diese große Breite. Ich habe hier auf Pentacen gewechselt, ein weiteres Terylen-ähnliches Molekül,
das vier Ansichten besitzt, von denen ich aber nur zwei zeige.
Dieser niedrigste elektronische Übergang entspricht eher einer Wellenzahl oder 30 GHz in der Breite.
Nun stellt sich die Frage: Ist das wirklich alles?
Natürlich sollte dem nicht so sein.
Bei diesem Molekül, bei dem unter dieser niedrigen Temperatur alle Phonons und Vibrationen abgestellt wurden,
sollte der erste Übergang schmal sein, eher im Bereich von 10 MHz aufgrund der Lebensdauer im angeregten Zustand.
Dies sollte als Einziges die Breite der Spektrallinie einschränken.
Was ist da also los?
Nun, hier findet etwas statt, was als inhomogene Verbreitung bezeichnet wird.
Auf dem rechten Bild kann man es gut sehen.
Aufgrund des eben Gesagten gibt es für die Moleküle sehr schmale Absorptionslinien,
es gibt aber eine Verteilung von zentralen Frequenzen, die aus den verschiedenen Umgebungen des Festkörpers kommen,
die unter leicht anderen Belastungen und Spannungen stehen.
Diese Absorptionslinien sind so dünn geworden, dass man nun die von diesen einzelnen oder unterschiedlichen lokalen Umgebungen
produzierten Störungen oder Verlagerungen beobachten kann.
Inhomogene Verbreitung verhindert die Betrachtung der darunterliegenden homogenen Breiten.
Es wurden also verschiedene Techniken zur Messung der homogenen Breite wie etwa Photonechos erfunden.
Bei einer weiteren handelt es um spektrales Lochbrennen.
Eine Methode zur Markierung dieser inhomogenen Linie oder zu deren Senkung, um die homogene Breite sichtbar zu machen.
In den 70er- und 80er-Jahren gab es zu diesen Themen viele schöne Untersuchungen.
Zu dieser Zeit arbeitete ich bei IBM Research, wo wir versuchten,
die Idee des spektralen Lochbrennens als System zur optischen Speicherung zu nutzen.
Das Schöne an diesem Untersuchungslabor und dessen Umgebungen damals war,
dass wir uns auch fundamentale Fragen zu dieser speziellen Idee stellen konnten.
Eine Frage faszinierte mich besonders: Gibt es eine Art spektrale Rauigkeit
auf dieser inhomogenen Linie, die vielleicht eine Grenze zum Störabstand bei Schreiben von Daten
in dieser inhomogen verbreiterten Linie repräsentierte, die eventuell durch Fluktuation statischer Zahlen erzeugt wurde?
Erinnern Sie sich, dieses Bild, das aus der inhomogenen Linie gemessen worden war, sah in etwa wie
eine glatte Gaußsche aus, und wir stellen uns also im Prinzip die Frage, ob es sich tatsächlich darum handelte oder nicht?
Für ein besseres Verständnis möchte ich Ihnen jetzt eine kurze Wahrscheinlichkeitsaufgabe stellen.
Nehmen wir an, wir haben diese 10 Kisten und werfen 50 Bälle auf diese 10 Kisten, und alle Kisten
haben dieselbe Wahrscheinlichkeit, dass die Bälle in diese Kisten fallen.
Hier ist eine Möglichkeit, was halten Sie davon?
Halten Sie dies für eine wahrscheinliche Situation oder nicht?
Wer denkt, dass es sich um eine wahrscheinliche Situation handelt?
Wer denkt, dass es sich um eine unwahrscheinliche Situation handelt?
Ah, gut, okay, Sie wissen, dass es bei dieser Art von Experiment, obwohl alle dieselbe Wahrscheinlichkeit haben,
wahrscheinlicher ist, eine unterschiedliche Anzahl in den verschiedenen Kisten zu erhalten.
Im Prinzip Streuung gemäß der Quadratwurzel von N um den Durchschnitt.
Das meine ich mit Zahlenfluktuation.
Es handelt sich um den wohlbekannten Effekt von Zahlenfluktuation,
dessen Größe in etwa die Quadratwurzel von N beträgt.
Er steigt aufgrund der Tatsache, dass die Moleküle beim Eintritt in diese Kisten unabhängig sind.
Stellen Sie sich nun diese horizontale Achse als Frequenzachse oder spektrale Achse,
die ich Ihnen kurz zuvor gezeigt hatte, vor, und jede dieser Kisten hat eine homogene Breite.
Und nun werden Sie sehen, dass die Anzahl der Moleküle, die in verschiedene Regionen des Frequenzraumes
fallen könnten, falls sie sich so gleichmäßig verteilen, in der Häufigkeit variieren sollten.
Auf der inhomogenen Linie sollte sich eine gewisse spektrale Rauigkeit befinden.
Hier haben wir eine kurze Simulation.
Jetzt benutze ich eine Gauß-förmige Wahrscheinlichkeit, die glatt ist, aber in dieser Simulation sieht man trotzdem noch,
dass es diese Rauigkeit auf dieser inhomogen verbreiterten Linie gibt.
Aber Mitte der 80er-Jahre hatte noch niemand diese Rauigkeit jemals direkt beobachtet.
Wir machten uns also daran, sie zu messen,
mein Postdoc Tom Carter und ich, anhand von Pentacen und para-Terphenyl in niedrigen Temperaturen.
Und nun müssen Sie sich diese inhomogen verbreitete Line als extrem ausgedehnt vorstellen,
so dass sie im Prinzip horizontal ist, und wir benutzen dafür Lasertechnik, eine leistungsstarke
Laser-High-Resolution-Technik um zu schauen, ob eine solche spektrale Struktur existierte, und haben das hier gesehen.
Es ist erstaunlich, es gibt eine unglaubliche Struktur, bei der es sich in der Tat nicht um Störung handelt.
Ich nenne es nicht Störung, es handelt sich um eine Rauigkeit.
Wenn man sie einmal misst, sieht man diese Form.
Wenn man sie erneut misst, sieht man die exakt gleiche Form.
Weil es sich hier bei niedrigen Temperaturen - hier handelt es sich um statische inhomogene Verbreitung,
was von dem eben beschriebenen Effekt kommt:
dass wir bei jedem Spektralfenster die Zahlenfluktuation sehen,
selbst wenn die Wahrscheinlichkeit,
dass die Moleküle bei verschiedenen Frequenzen landen, konstant ist.
Wir bezeichnen dies als statistische Feinstruktur,
in der die durchschnittliche Absorption natürlich den Maßstab N hat, wobei bei jeder Messung
in Experimenten normalerweise N der Maßstab ist, oder N zum Quadrat oder ähnliches, wenn es keine linearen Effekte gibt.
Aber ein Spektralmerkmal, dessen RMS-Größe den Maßstab Quadratwurzel von N hat, ist ziemlich anders,
ziemlich interessant, und lässt einen an einem frühen Donnerstagmorgen recht gut wach werden.
Dies wurde mithilfe einer speziellen Technik namens FM Spektroskopie entdeckt.
Ich werde nicht alle Details dessen beschreiben, aber es ist besonders zur Messung
der Abweichungen der Absorption vom Durchschnittswert geeignet, also genau, was wir hier brauchten.
Es wurde 1980 von Gary Bjorklund entwickelt,
wobei auf diesem Gebiet auch viel Entwicklung von Jan Hall und dessen Mitarbeitern beigetragen wurde.
Ich möchte hier eine Schlüsselkomponente hervorheben.
Ich scanne für diese Messung einen einstellbaren Einzelfrequenzlaser und die Breite der Laserlinie
beträgt in etwa 1 MHz - bitte beachten Sie den Maßstab hier von 400 MHz.
Jedes Merkmal ist hier also vollauf aufgelöst.
Es gibt keine vom Messgerät erzeugte Einschränkung.
Das Messgerät ist schmaler als jedes Spektralmerkmal.
Diese Formen, die endgültige Enge dieser Dinge wird durch die Breite der Molekülabsorption erzeugt.
Somit ist hier alles aufgelöst.
Behalten Sie dies im Hinterkopf, da wir später noch über Auflösung im Raumbereich sprechen werden.
Dies war also eine interessante Beobachtung, die für mich einen weiteren Effekt hatte.
Sie machte deutlich, dass die Grenze des einzelnen Moleküls erreichbar war.
Warum dem so ist?
Wenn der durchschnittliche Absorptionsmaßstab N ist und sagen wir N in diesem Fall 1.000 beträgt, dann bedeutet dies, dass die RMS-Amplitude
dieser Merkmale etwa die Quadratwurzel von 1.000, also 32 beträgt, was bedeutet, dass es, sobald man an diesem Punkt ist,
32-mal mehr anstrengen muss, die Grenze des einzelnen Moleküls zu erreichen.
Nur 32-mal mehr anstrengen.
Nicht 1.000-mal anstrengen.
Glauben Sie mir, dass ist sehr viel besser.
Wir entschlossen uns also, diese Methode voranzutreiben.
Das kam ein wenig aus dem Nichts oder aus heiterem Himmel: Können wir diese
Untersuchungen zum System optischer Speicherung in jenem Industrielaboratorium,
können wir sie bis zur Grenze von N gleich Eins bringen?
Tatsächlich schafften Lothar Kador, mein damaliger Postdoc, und ich es 1989 an die Grenze des Einzelmoleküls
und maßen die Absorption des Einzelmoleküls anhand dieser winzigen Veränderungen im übertragenden Licht.
Für Pentacen-Moleküle als Dopanten in para-Terphenyl.
Hierbei handelte es sich um einen wichtigen Vorstoß, da wir gezeigt hatten, dass es ging,
und dabei ein nützliches Modellsystem gefunden hatten.
Jene Methode kann quantenbegrenzt und sehr, sehr empfindlich sein, aber man bekommt
in diesen Messungen nicht viel Energie auf den Detektor.
Sonst verbreitert man die Absorptionen und hat dadurch weniger Sensitivität.
Ein Jahr später fand ein sehr wichtiger Vorstoß statt, diesmal in Frankreich, wo Michel Orrit
die Absorption des Einzelmoleküls auch für Pentacen in para-Terphenyl entdeckte, allerdings indem er das abgestrahlte Licht entdeckte,
die Fluoreszenzen der Moleküle.
Diese Methode konnte natürlich schwierig in der Ausführung sein, falls es zu Störungen oder Lichtstreuung kam.
Man muss dieses winzige Signal der Einzelmoleküle finden, aber sie zeigten,
dass es funktionierte, was einem sehr wichtigen Schritt in dem Gebiet gleichkam.
Mit dieser Methode erhielt man ein besseres Signal-Stör-Verhältnis, weshalb danach alle zum Fluoreszenz-Detektor wechselten.
Und sofort ging es mit Überraschungen los.
Hier sehen Sie einige Beispiele, wo wir den Laser scannen und die Moleküle entdecken.
Die molekulare Absorption können Sie dort sehen.
Aber schauen Sie, was hier passiert.
Da ist etwas Verrücktes.
Diese Moleküle bewegen sich im Frequenzraum umher, sie bewegen sich in digitaler Art und Weise hin und her.
Als mein Postdoc Pat Ambrose dies sah, kam er reingerannt und meinte: "Die Moleküle hüpfen umher!" (lacht)
Und wir sagten: "Prima, das ist echt interessant."
Weil das war für uns eine Überraschung.
Wir befinden uns in niedrigen Temperaturen, flüssiges Helium in einem Kristall und so weiter,
warum sollte dies also bei einem sehr stabilen Molekül passieren?
Nun, einige Theoretiker wie Jim Skinner und andere halfen uns dabei zu verstehen, dass dies
von einigen Kräftespielen im Wirtskristall kam, die sich bei dieser niedrigen Temperatur verändern und die Moleküle hin und her bewegen.
Wenn ich den Laser hier auf eine feste Frequenz stelle, schwingt das Molekül manchmal mit und man sieht ein Signal.
Manchmal aber ist es aus; an, aus, an und daher konnte man in den Anfangszeiten, 1991, auch Blinkeffekte
bei diesen Molekülen sehen.
Eine weitere Überraschung durch Thomas Basché:
Jetzt wurde zu Perylen in Polyethylen als anderen Wirt gewechselt und schauen Sie, was hier passiert.
Man scannt das Molekül, scannt es wieder und wieder, nichts verändert sich, und wenn man dann
in Resonanz geht und für eine kleine Weile nur auf dem Molekül sitzt, dann sieht man wie die Fluoreszenz sinkt.
Und wenn man schnell wieder scannt, dann sieht man, dass er verschwunden ist.
Er ist woandershin gewandert, irgendwo weit abseits des Bildschirms auf eine andere, weit entfernte Wellenlänge.
Man hat etwas beim nahegelegenen Wirt verändert.
Man hat ein zweistufiges System gedreht, was zur Bewegung der Molekülabsorption geführt hat.
Erstaunlicherweise kehrt das Molekül einen Moment später genau an seinen Platz zurück.
Man scannt wieder und man sieht es wieder und wieder und wieder ohne Veränderung.
Geht man mit ihm in Resonanz, so kann man es wegtreiben.
Davon waren wir ebenfalls begeistert, weil wir das Molekül mit Laserlicht hin und her schalten konnten.
Diese beiden Effekte, Blinken und optische Kontrolle, sind für die Dinge, die später passieren, nützlich.
Jetzt will ich Ihnen kurz folgende Frage stellen: Warum sollten wir Einzelmoleküle untersuchen?
Sie wissen natürlich, dass wir den Ensemblemittelwert entfernt haben und die Individuen beobachten und dabei sehen können,
inwiefern sie sich anders verhalten.
Für ein unterschiedliches Verhalten habe ich Ihnen gerade einige gute Beispiele genannt.
Im Sinn Ihres pädagogischen Interesses möchte ich Ihnen eine Weise zeigen, wie Sie diese Thematik Ihren Freunden erklären können.
Warum Einzelmoleküle untersuchen?
Denken wir für einen Moment an Baseball.
Wenn wir uns an das Jahr 2004 zurückerinnern, gab es da dieses Team in den USA, die Red Sox, die die Meisterschaft gewonnen hatten.
Und hier sehen Sie die Rangliste der verschiedenen Teams und deren Schläger-Durchschnittsleistungen.
Hier also die teamübergreifenden Schläger-Durchschnittsleistungen, und wie Sie wissen, entspricht dies dem Ensemblemittelwert.
Wenn man jedoch die Schläger-Durchschnittsleistung von Spieler zu Spieler misst und dann eine solche Aufteilung wie hier erstellt,
dann sieht man etwas Interessantes.
Über die Durchschnittverteilung auf der linken Seite hinaus gibt es daneben auch eine Verteilung, aber mit einigen Ausreißern.
Was sind die Ausreißer?
Weiß das jemand? (lacht)
Werfer, genau, die haben wir hier. (lacht)
Im Prinzip übersetzen wir diese Idee aus dem Baseball in den molekularen Maßstab.
Tanzen die Moleküle aus der Reihe oder nicht? Das ist vielleicht eine weitere Analogie, die Sie nutzen können.
Was Sie Ihren Freunden ebenfalls erklären können, ist, worum es in der molekularen Fluoreszenz geht.
Was ist das eigentlich? Sie kennen vielleicht diese Socken oder sowas, die bei Tageslicht leuchten.
Es gibt aber eine weitere lässige Art und Weise, wie man seinen Freunden Fluoreszenz zeigen kann, und die zeige ich Ihnen gleich.
Aber zunächst müssen Sie ihnen erklären, dass Moleküle in einem Grundzustand beginnen, und nach der Absorption des richtigen Photons
gehen Sie natürlich in einen angeregten Zustand über.
Dann gibt es eine gewisse molekulare Entspannung, einige Vibrationen werden ausgestoßen usw. Und wenn das Photon abgestoßen wird,
hat es sich zu einer längeren Wellenlänge verschoben, okay?
Es hat niedrigere Energie.
Ich möchte Ihnen zeigen, wie sie das auf ziemlich geschickte Art und Weise zeigen können.
Es gibt eine sehr leichte, einfache Vorführung, die ich beschreiben möchte.
Um dies zu demonstrieren, müssen Sie sich einen dieser orangen Textmarker besorgen, die man überall kaufen kann.
Nehmen Sie auf jeden Fall einen von den billigen.
Nehmen Sie keinen von denen, die nicht verschmieren, die lösen sich in Wasser nicht so gut auf.
Die billigen lösen sich in Wasser viel besser auf.
Dann brauchen Sie ein kleines Fläschchen mit Wasser, wie ich es hier habe.
Und ich muss lediglich diesen Textmarker öffnen und ihn für einige Sekunden ins Wasser stecken, ein bisschen herumdrehen,
mehr brauche ich gar nicht machen.
Mit dem Textmarker sind wir dann fertig.
Das Fläschchen verschließen und ein bisschen schütteln, mehr braucht man nicht machen.
Und als Nächstes braucht man einen grünen Laserpointer, den die meisten von uns haben.
Es braucht kein besonders toller zu sein.
Man braucht keine hohe Kraft.
All das braucht man nicht, fünf Milliwatt sind vollkommend ausreichend.
Wenn jetzt das Licht ausgemacht wird, zeige ich Ihnen, was Sie hiermit machen können.
Das schalte ich auch aus.
Es ist nicht komplett dunkel, aber vielleicht können Sie es trotzdem sehen.
Das hoffe ich zumindest.
Das ist doch echt lässig, oder? (Iacht)
(Zuhörer applaudieren)
Das Lässige daran ist, dass es ein kleines extra Licht ist.
Und es diese Farbe hat.
Wie Sie wissen, ist der Laser grün, und das Licht aus dieser Probe ist eher orange, und Sie können zeigen, dass obwohl das Licht
orange abstrahlt, wenn es hier durch geht,
das übertragene Licht immer noch grün ist.
Man hat nicht das gesamte Licht des Lasers aufgebraucht, das übertragene Licht ist grün.
Und dies ist ein gutes Beispiel dafür, dass wir nur ein paar Moleküle brauchten, um dieses Licht herauszuholen und es deutlich zu sehen.
Was wir also in unseren Experimenten machen, ist natürlich,
dass wir die Konzentration in der Probe auf ein unglaublich niedriges Niveau reduzieren,
bis auf die Grenze des Einzelmoleküls
und dabei auch das Volumen reduzieren und das Licht der einzelnen Moleküle feststellen.
Wie man sieht, kann man das sogar mit den eigenen Augen machen.
Bei den Experimenten, die heutzutage bei Raumtemperatur durchgeführt werden, lassen Sie mich Sie kurz erinnern,
wie wir sie bei Raumtemperatur durchführen.
Wir nutzen keine FM-Spektroskopie, sondern pumpen vom Ausgangszustand zum angeregten Zustand und stellen dabei
diese Fluoreszenzverlagerung in langen Wellenlängen fest.
Normalerweise betrachten wir diese kleinen, winzigen Moleküle, die etwa ein bis zwei Nanometer groß sind,
oder ein grünes Fluoreszenzprotein, und verbinden das mit einem Molekül, das uns interessiert, beispielsweise eine Zelle,
wo man diese Moleküle innen hat. Aber um einzelne Moleküle festzustellen,
konzentrieren wir den Laser auf den kleinstmöglichen Punkt herunter und diese Größe wird durch Beugung eingeschränkt,
um über zwei Mal der numerischen Blende zu landen.
Um also zur Grenze des Einzelmoleküls zu gelangen, muss man die Moleküle verdünnen.
Man braucht sie weiter auseinander als die Breite dieses kleinen Brennflecks.
So stellen wir Einzelmoleküle bei Raumtemperatur fest. Und die Arbeit bei Raumtemperatur
begann natürlich mit der Arbeit Kellers und vielen anderen Anfang 1990,
aber die Nahfeld-Techniken und konfokalen Techniken und Weitfeld-Techniken wurden alle schon währenddessen gezeigt.
Um Ihnen einige echte Daten über ein echtes System zu zeigen, damit Sie sehen, wie das aussieht:
Hier ist das aus einer Zelle gebildete System, bei der sich das transmembrane Protein namens MHCII in der Zellmembran befindet,
und das durch Markierung eines Antigens, das Fluor-4 an sich hat, markiert wird.
Jeder der Punkte auf diesem Bild kommt also von dem Licht vom individuellen MHCII-Komplex.
Übrigens, wie ich bereits sagte, kann man dieses Licht mit den eigenen Augen sehen.
Man kann in unsere Mikroskope schauen, sich ans Dunkel anpassen, und das Licht einzelner Moleküle mit den eigenen Augen sehen.
Deshalb lohnt es sich, die Augen zu schützen.
Sie sind großartige Detektoren.
Schaut man sich diesen Film als zeitabhängige Funktion an, dann wird es wirklich spannend.
Wir können das mit lebendigen Zellen und bei Raumtemperatur machen.
Man sieht, dass sie sich ausbreiten.
Sie bewegen sie über die ganze Zellmembran und tanzen regelrecht auf der Oberfläche der Zelle.
Sie gehen auch aus, das ist ein Teil der Fotobleichungsprozesse.
Es kann in diesem Experiment auch zu Blinken kommen, worüber wir gleich sprechen werden.
Das ist ein Beispiel dafür, was mit Einzelmolekülen bei Raumtemperatur gemacht werden kann.
Das war aus dem Jahr 2002, aber es gibt noch ein Ereignis aus den 1990er-Jahren, das ich erwähnen möchte.
Wir hatten uns entschlossen, uns einzelne Abzüge dieser fluoreszierenden Proteine anzuschauen, die von Roger Tsien und anderen,
die Sie bereits bei diesem wunderbaren Meeting getroffen oder von denen Sie gehört haben, entwickelt wurden.
Ich war zu der Zeit an der UC San Diego, wo auch Roger war, und bat ihn um ein Protein. Und Andy Cubitt gab uns etwas,
was zu der Zeit als gelb fluoreszierendes Protein (YFP) bezeichnet wurde und das einige Mutationen besaß,
und die längere Wellenlängenabsorption von YFP zu stabilisieren- Und wir wollten schauen,
ob wir diese bei Raumtemperatur feststellen und abbilden konnten.
Und hier sind einige Beispiele.
Ja, Rob Dickson ist das gelungen.
Das hatte zu dem Zeitpunkt noch niemand gemacht und gleich traten neue Überraschungen auf.
Wir sahen Blinken, das heißt wie die Moleküle Bild für Bild ausstrahlten, ausstrahlten, ausstrahlten und dann für lange Zeit abschalteten
und dann wieder angingen und ausgingen und angingen und so weiter auf sozusagen zufällige Art und Weise.
Anders gesagt pumpten wir und sammelten Photonen, aber nach einer gewissen Zeitspanne ging das System in einen Dunkelzustand,
wahrscheinlich eine Isomerisierung des Chromophors, von dem aus es thermisch zurückkehren und wieder ausstrahlen konnte.
Eine weitere Überraschung bestand darin, dass wir nach einer langen Bestrahlung sahen,
wie diese Moleküle in einen langlebigen Dunkelzustand übergingen.
Wir dachten, dass sie vielleicht fotogebleicht wurden, aber Rob benutzte ein klein wenig blaues Licht
mit kürzerer Wellenlänge und konnte so die zuvor ausgeschalteten Moleküle wiederherstellen.
Man konnte sie dann wieder für eine lange Zeit ausstrahlen lassen und wenn sie dann aufhörten,
konnte man sie mit 405 Nanometern wieder herstellen.
Bei diesen Experimenten beobachteten wir also sowohl Blinken als auch lichtinduzierte Fotowiederherstellung.
Diese und andere Arbeiten führten zu einem hohen Anstieg der Entwicklung von schaltbaren fluoreszierender Proteine.
Das fotoaktivierbare YFP wurde später entwickelt, DRONPA zum Schalten von Miyawaki und anderen.
Die Grundidee bestand jedoch darin, dass das Kräftespiel,
das wir bei niedrigen Temperaturen gesehen hatten, auch bei Raumtemperatur verfügbar war.
Hier ist übrigens das Patent, das Roger und ich für diesen speziellen Prozess damals erhalten haben (lacht).
Aber was hatten wir im Sinn?
An Super-Resolution dachten wir gar nicht.
Wir dachten an optische Speicher.
Wir dachten damals daran, diese Moleküle zur Speicherung einzelner Stücke zu nutzen.
Wie gesagt kam ich von IBM und an solche Dinge dachten wir damals.
Lassen sie uns nun über die Super-Resolution sprechen.
Umgehung der optischen Auflösungsgrenze.
Um dies für alle auf einfache Weise darzustellen,
haben wir hier eine Bakterienzelle, gerade mal ein paar Mikrometer lang und vielleicht 500 Nanometer breit. Und ein bestimmtes Protein
wurde in diesem Fall mit gelb fluoreszierendem Protein markiert. Und man könnte denken, dass man lediglich
eins dieser richtig, richtig teuren Mikroskope kaufen braucht, das beste Mikroskop, das es zu kaufen gibt, richtig teuer.
Hier haben wir es.
Hier ist das teure Mikroskop. Aber das Problem ist, dass man keine weiteren Einzelheiten sieht.
Man möchte die möglichen Formen und Positionen dieser Moleküle sehen, und das wird durch die offensichtliche Auflösungsgrenze vereitelt.
Obwohl die Emitter sehr klein sind, gerade mal ein paar Nanometer groß, sehen sie aus, als wären sie mehrere hundert Nanometer groß,
was an diesem speziellen wichtigen physikalischen Effekt liegt, der von der Wellenlänge von Licht
und der numerischen Apertur, die man benutzt, stammt.
Der Grund dafür, warum Super-Resolution für viele Menschen heute aufregend ist, besteht darin, dass man von dieser Art Bild
zu dieser Art Bild gelangt.
Ein gewaltiger Anstieg im Detail.
Ein gewaltiger Anstieg dessen, was darüber, was in der Zelle passiert, gemessen und quantifiziert werden kann.
Um dies zu erklären, obwohl Sie zu Beginn der Woche bereits wunderschöne Erklärungen von Stefan und Eric gehört haben,
möchte ich es auf eine sehr allgemeine Art und Weise beschreiben.
Ich sage gerne, dass man zunächst Einzelmoleküle erfassen muss und dann zwei wesentliche Zutaten benötigt.
Wohlgemerkt beschreibe ich die Super-Resolution nur auf der Basis von Einzelmolekülen.
Stefan hat bereits wunderbare Arbeit bei der Besprechung von STED und anderen Methoden, die auf einem gemusterten Lichtstrahl beruhen,
um Moleküle ein- und auszuschalten, geleistet.
Zunächst muss man die Einzelmoleküle super-lokalisieren.
So kann man sich das auf hübsche Art und Weise vorstellen:
Hier haben wir einen Aschekegel in einem vulkanischen See am Crater Lake in Oregon.
Falls Sie mal die Möglichkeit haben, dorthin zu reisen, sollten Sie sie nutzen.
Es ist wirklich ein schöner See und es gibt einen Aschekegel in diesem See.
Und selbstverständliche habe ich meinen obligatorischen Kartenmaßstab: 120 mal 10 hoch 9 Nanometer.
Jetzt wissen Sie natürlich ganz genau, dass man, wenn man mit dem Handy auf die Spitze des Berges geht, die GPS-Koordinaten
des Berggipfels auslesen kann.
Das ist es im Prinzip, was wir machen.
Hier ist eins unserer Einzelmolekül-Bilder.
Hierbei handelt es sich um ein YFP-Molekül, gelb fluoreszierendes Protein, in einer Bakterie, und ich habe es in ein 3D-Bild umgewandelt,
um Ihnen diese Helligkeit hier auf der Z-Achse zu zeigen.
Wie Sie sehen besitzt das Einzelmolekül eine Breite, die von Beugung hervorgerufen wird.
Wir verbreitern also diese Stelle auf einem verpixelten Detektor und nehmen mehrere Proben der Form dieser Stelle.
Anhand dieser Proben kann man die Form zusammensetzen und ein sehr gutes Aufmaß der Position erhalten, welches viel besser
als die Auflösungsgrenze, als die Breite des Berges ist.
Die andere Schlüsselidee bezeichne ich gerne als aktive Kontrolle der abgestrahlten Konzentration.
Ein Forscher muss sich aktiv für einen Mechanismus entscheiden, der die abgestrahlte Konzentration kontrolliert.
Warum das überhaupt nützlich ist?
Hier haben wir zunächst die Struktur.
Stellen Sie sich vor, dass wir diese Struktur beobachten wollen
und sie dafür mit den fluoreszierenden Markern versehen, von denen ich vorhin gesprochen habe.
Wenn man jetzt einfach den Laser einschaltet, dann strahlen alle von ihnen gleichzeitig ab, worin selbstverständlich das Problem besteht.
Wie man sieht, überlappen sich alle Punkte der Einzelmoleküle, so sieht die Situation bei niedriger Auflösung aus.
Wir nutzen dann einen Ein-/Aus-Prozess.
Wir nutzen eine Methode, um die Moleküle entweder in einen Grundzustand oder einen Dunkelzustand zu versetzen,
und nutzen dies zur Kontrolle der Konzentration auf einem niedrigen Niveau.
Dann schaltet man nur einige an und ortet diese.
Das macht man wieder und wieder und kann schließlich eine pointillistische Technik,
ein Begriff aus der Kunst, eine pointillistische Technik zur Rekonstruktion der zugrunde liegenden Struktur verwenden.
Von dieser Idee hörte ich 2006 zum ersten Mal von Eric Betzig, der dies als PALM bezeichnete.
Später hörte man von STORM von Zhuang, F-PALM und dann erschien eine ganze Reihe von Akronymen,
die für verschiedene Mechanismen mit dieser Funktion standen.
Wir begannen damals mit der Nutzung unserer YFP-Reaktivierung, die ich Ihnen gerade zeigte,
und gaben dem kein Akronym, was natürlich der Grund dafür ist, dass es in Vergessenheit geriet.
Hier also ein Akronym, um dem Stapel spaßeshalber ein weiteres hinzuzufügen, Single Molecule
Active Control Microscopy (Einzelmolekül-Aktivsteuerungs-Mikroskopie), kurz SMACM.
Wie funktioniert diese Arbeit in einem echten System?
Hier ein Bild mit vielen Einzelmolekülen.
Diese rechts erscheinenden Punkte entstehen durch die Lokalisierung von Molekülen, und wenn man dies viele Male tut,
dann kann man die Daten aufbauen, die man braucht, um dieses hochauflösende Bild der zugrunde liegenden Struktur zu rekonstruieren.
Das funktioniert auch in Bakterien, aber ich will Ihnen zeigen, wie gelb fluoreszierendes Protein (YFP) in Bakterien funktioniert.
YFP, das ich Ihnen vorhin gezeigt hatte, blinkt wunderschön.
Hier sind einige Bakterienzellen und hier die Fluoreszenzen dieser Zellen, in denen etwas markiert ist.
Genau dies verwenden wir in unserer Datenaufnahme.
Das schöne Blinken der einzelnen fluoreszierenden Proteine gibt uns Aufschluss darüber, wo sich diese Moleküle befinden.
Und dieser Ansatz half uns, von diesen Arten von auflösungsbegrenzten Bildern
mehrerer verschiedener Proteine zu diesen hochauflösenden Bildern all jener Proteine zu gelangen.
Es handelt sich um eine wirklich wunderbare Art, um die Struktur zu sehen, die vorher nicht beobachtbar war.
Hierbei handelt es um Live-Zellen.
Hier eine fixierte Zelle.
Wir haben es also sowohl in fixierten als auch in Live-Situationen.
Um Ihnen zu zeigen, dass man weitere Informationen erlangen kann, die von diesem Schema etwas zeitabhängig sind, möchte ich
die von Robin Hochstrasser entwickelte PAINT-Idee erwähnen.
Bei PAINT nimmt man die Struktur, die man beobachten möchte, und bringt Luminophore von außen hinein, von außerhalb der Lösung.
Luminophore schwirren herum, wenn sie sich in der Lösung befinden, und lassen sich nicht einfach auffinden,
wenn sie sich aber mit etwas verbinden, dann sitzen sie dort und geben einem all das Licht, mit dem man dann die Verbundenen ortet.
Also nutzen wir diese Idee auf der Basis eines nun mit Fluoreszenz markierten Liganden, mit Fluoreszenz markierten Saxitoxinen,
um spannungsversperrte Natriumkanäle in einer neuronalen Modellzelle, einer PC12-Zelle, zu beleuchten.
Dies wird auf diesem Bild gezeigt.
Dies ist eine der axonalen Projektionen außerhalb einer abgegrenzten PC12-Zelle, und die Schönheit steckt selbstverständlich im Film.
Bei diesem Film beträgt der Durchschnitt rund 500 Millisekunden.
Wir sehen alle Ortungen während des Zeitfensters von 500 Millisekunden und spielen dies wie bei einem
Daumenkino ab, und man sieht, wie all diese Strukturen mit der Zeit wachsen und verschwinden, während die Zelle fortlaufend wächst.
Die Zeit rennt mir davon, weshalb ich einige Dinge überspringen muss.
Ich überspringe diese Anwendungen bei der Huntington-Krankheit.
Hier einige schöne Gesamtsummen, die wir mit Super-Resolution bei Aggregaten des Huntington-Proteins beobachten können.
Ich werde ein weiteres Beispiel überspringen und mit einigen Lehren abschließen, die ich Ihnen gerne mitgeben möchte, damit Sie diese
mit Ihren Freunden teilen können.
Sie alle kennen diese schöne Nobel-Medaille.
Selbstverständlich sieht man Alfred Nobels Abbild auf dieser Medaillenseite.
Ich würde aber wetten, dass Sie die Rückseite der Medaille noch nie gesehen haben.
Hier die Rückseite der Nobel-Medaille.
Sie ist wirklich sehr, sehr schön.
Eine schöne, bewundernswerte Darbietung.
Hier auf der linken Seite ist die Natur,
die Natur, die ein Füllhorn hält, und auf der rechten Seite ist die Wissenschaft.
Und die Wissenschaft lüftet den Schleier der Natur.
Es ist ganz erstaunlich.
Ihr Ziel sollte es sein zu kommunizieren, dass Wissenschaft Spaß macht.
Helfen Sie mit, den Schleier der Natur in unserer Welt zu lüften.
Es gibt aber mehr, über das Sie nachdenken und das Sie an die Jüngeren kommunizieren sollten,
hauptsächlich an die Studenten im Vorstudium und jene, die sich für Wissenschaft zu interessieren beginnen.
Es ist immer wichtig, seine Passion zu finden.
Das ist unerlässlich, weil es schwere Arbeit sein kann, sich durch die Aufgabenstellungen zu arbeiten,
die wir auf unsere eigene methodische Art stellen.
Man muss dafür entschlossen, hartnäckig und methodisch sein, aber es ist von großer Wichtigkeit, dabei auch Spaß zu haben.
Alles basiert auf der Frage, wie Dinge funktionieren.
Zu viele Menschen betrachten ihr Handy für selbstverständlich, betrachten einige der Technologien in unserer Welt für zu selbstverständlich.
Wir sollten wirklich öfter hinterfragen, wie Dinge auf einer tiefen, fundamentalen Ebene wirklich funktionieren,
bis hin zu einzelnen Molekülen.
Mit der Konsequenz, dass man über konventionelles Wissen hinausgeht und Annahmen hinterfragt.
Natürlich glauben wir, dass uns Wissenschaft eine rationale und voraussehende Methode bietet,
unsere Welt zu verstehen, und aus diesem Grund üben wir sie aus.
Deshalb möchte ich meinen ehemaligen Studenten, Postdoktoranten und Mitarbeitern und natürlich dem jetzigen Guacamole-Team danken.
Hier können Sie sehen, wie ernst sie sein können.
Das ist kurz vor Halloween.
Danke auch an unsere Agenturen.
Und hier noch etwas zum Spaß, unser Kein-Ensemblemittelwert-Logo, das für Einzelmolekül-Spektroskopie steht.
Ich vergaß zu sagen, warum wir Guacamole-Team heißen.
Nun, Sie wissen ja, ein Molekül entspricht einer Guacamole.
Eins hoch die Anzahl der Mole in der Avocado.
In diesem Sinn, vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.