Нобелевская премия 2014 года по химии присуждена группе ученых – Эрику Бетцигу, Штефану Хеллю и Уильяму Мёрнеру за разработку технологии флуоресцентной микроскопии высокого разрешения (STED Microscopy), которая позволила изучать живые клетки и процессы внутри них в реальном времени.

Флуоресцентные микроскопы – это следующее поколение микроскопов после оптических (где увеличение осуществляется конструкцией из линз) и электронных (где используются световой поток пучка электронов и специальные магнитные линзы). В флуоресцентной микроскопии применяется метод получения увеличенного изображения с использованием люминесценции возбужденных атомов и молекул образца. По сравнению с оптической микроскопией с пределом разрешения около 200–250 нм., флуоресцентная микроскопия способна обеспечить разрешение 20–25 нм, то есть в десять раз большее. Это позволяет видеть отдельные структуры, причем не только в фиксированных, а в живых клетках, можно увидеть их динамику, какие-то внутриклеточные процессы. Для этого с помощью флуоресцентной метки в клетке специфически метят какую-то определенную структуру, или какой-то белок. Краситель возбуждается светом и испускает свет другой длины волны. Например, вы светите синим, а флуоресценция у вас зеленая. В микроскопе есть источник возбуждающего света, система фильтров и детектор. В результате получается очень красивая флуоресцентная картинка, которая приближается по разрешению к электронной микроскопии, но позволяет работать с живыми тканями.

– «Сначала было доказано, что теоретический лимит микроскопа составляет половину длины волны видимого света, это несколько сотен нанометров. Но в химии и биохимии объекты гораздо меньше. Стандартная бактерия – 100 нанометров, она попадает под вышеозвученный лимит, – объяснил представитель Нобелевского комитета. – Если изучать бактерии с помощью светового микроскопа, то их сложно разобрать. У электронных микроскопов возможности гораздо выше, можно рассмотреть структуры до атома. Но электронные микроскопы не позволяют изучать живые клетки или процессы внутри живых клеток. Работы, которые провели лауреаты, дали возможность изучать молекулярные процессы в реальном времени. С помощью их работ можно изучать динамические процессы, читать ДНК, изучать отдельные молекулы внутри живой клетки».

Штефан Хелль разработал технологию флуоресцентной микроскопии на основе подавления спонтанного испускания, когда один лазерный пучок заставляет флуоресцирующие молекулы светиться, а второй – подавляет все излучение вокруг определенного участка размером в нанометры. Благодаря этой технологии, стало возможным изучить детали прохождения нервного импульса, в частности, увидеть, как происходит передача нервного сигнала в синапсах – выброс синаптических пузурьков (везикул) с нейромедиаторами и эндоцитоз – захват их мембраной. Как все это происходит, было непонятно до появления флуоресцентной микроскопии.

Узнать о награждении Штефана Хелля Нобелевской премией было особенно интересно для научно-исследовательского отдела компании Beiersdorf Research & Development, с которым лауреат активно сотрудничает с целью создания и совершенствования на основе флуоресцентной микроскопии новой технологии GSDIM (Ground State Depletion Individual Molecule Return Microscopy), которая позволяет увидеть и изучать в живых клетках отдельные структуры и молекулы, например, митохондрии. С помощью этой технологии Beiersdorf надеется заглянуть в сложные процессы старения, протекающие в клетках и увидеть, как изменяются клеточные структуры в процессе старения. Цель – остановить структурные изменения и даже обратить их с помощью косметических средств. В настоящее время ученые Beiersdorf исследуют самые незначительные изменения структуры живых клеток, связанные с возрастными изменениями, и какие изменения происходят в живых клетках при их контакте с активными веществами для косметики.