Роботи Штефана Хелля, Еріка Бетцига і Вільяма Мернера дозволили розгледіти в клітці окремі молекули.
Щоб розглянути клітку та її вміст, ми повинні взяти мікроскоп. Його принцип роботи відносно простий: промені світла проходять через об'єкт, а потім потрапляють в збільшувальні лінзи, так що ми можемо розгледіти і клітку, і деякі органели всередині неї, наприклад, ядро або мітохондрії.
Але якщо ми захочемо побачити молекулу білка або ДНК, або розглянути великий надмолекулярний комплекс на кшталт рибосоми, або вірусну частинку, то звичайний світловий мікроскоп виявиться марним. Ще в 1873 році німецький фізик Ернст Аббе вивів формулу, що вважає межу можливостям будь-якого світлового мікроскопа: виявляється, в нього не можна побачити об'єкт, розміром менше половини довжини хвилі видимого світла - тобто менше 0,2 мікрометрів.
Рішення, очевидно, полягає в тому, щоб вибрати щось, що змогло б замінити видиме світло. Можна використовувати пучок електронів, і тоді ми отримаємо електронний мікроскоп - в нього можна спостерігати віруси і білкові молекули, але спостережувані об'єкти при електронній мікроскопії потрапляють в абсолютно неприродні умови. Тому виключно вдалою виявилася ідея Штефана Хелля (Stefan W. Hell) з Інституту біофізичної хімії Товариства Макса Планка (Німеччина), якому на початку 90-х голів прийшла в голову думка використовувати для візуалізації макромолекул і їх комплексів стимульоване флуоресцентне випромінювання.
Суть ідеї полягала в тому, що об'єкт можна опромінити лазерним променем, який переведе біологічні молекули в збуджений стан. З цього стану вони почнуть переходити в звичайне, звільняючись від надлишків енергії у вигляді світлового випромінювання - тобто почнеться флуоресценція, і молекули стануть видимими. Але випромінювані хвилі будуть різної довжини, і у нас перед очима буде невизначена пляма. Щоб такого не сталося, разом з збуджувальним лазером об'єкт обробляється гаслячим променем, який пригнічує всі хвилі, крім тих, які володіють нанометровою довжиною. Випромінювання з довжиною хвилі порядку нанометрів якраз дозволяє відрізнити одну молекулу від іншої.
Метод отримав назву STED (stimulated emission depletion), і якраз за нього Штефан Хелль отримав свою частину Нобелівської премії. При STED-мікроскопії об'єкт не охоплюється лазерним збудженням відразу цілком, а як би промальовується двома тонкими пучками променів (збудником і гасачем), тому що чим менше область, яка флуорескує в даний момент часу, тим вище роздільна здатність зображення.
Метод STED згодом доповнився так званою одномолекулярною мікроскопією, розробленою наприкінці XX століття незалежно двома іншими нинішніми лауреатами, Еріком Бетцигом (Eric Betzig) з Інституту Говарда Х'юза і Вільямом Мернером (William E. Moerner) зі Стенфорда. У більшості фізико-хімічних методів, що покладаються на флуоресценцію, ми спостерігаємо сумарне випромінювання відразу безлічі молекул. Вільям Мернер якраз запропонував спосіб, за допомогою якого можна спостерігати за випромінюванням однієї молекули. Експериментуючи з зеленим флуоресцентним білком (GFP), він зауважив, що у його молекул світіння можна довільно включати і вимикати, маніпулюючи довжиною збуджувальної хвилі. Включаючи і вимикаючи флуоресценцію різних молекул GFP, їх можна було спостерігати в світловий мікроскоп, не звертаючи уваги на нанометрове обмеження Аббе. Ціле зображення можна було отримати, просто поєднавши кілька знімків з різними світними молекулами в полі спостереження. Ці дані були доповнені ідеями Еріка Бетцига, який запропонував збільшити дозвіл флуоресцентної мікроскопії, використавши білки з різними оптичними властивостями (тобто, грубо кажучи, різнокольорові).
Суміщення методу збудження-гасіння Хелля з методом суми накладень Бетцига і Мернера дозволило розробити мікроскопію з нанометровою роздільною здатністю. З її допомогою ми можемо спостерігати не тільки органели та їх фрагменти, а й взаємодії молекул один з одним (якщо молекули позначити флуоресцентними білками), що, повторимо, далеко не завжди можливо з електронно-мікроскопічними методами. Значення методу важко переоцінити, адже міжмолекулярні контакти - це те, на чому стоїть молекулярна біологія і без чого неможливо, наприклад, ні створення нових ліків, ні розшифровка генетичних механізмів, ні багато інших речей, що лежать в полі сучасної науки і техніки.
Підготовлено за матеріалами Нобелівського комітету.