Notizen

<h2>Bund übernimmt Bafög-Finanzierung</h2>
Ab Anfang 2015 soll der Bund die Finanzierung des Bafög vollständig übernehmen. Bislang trägt der Bund das Bafög zu 65 %, die Länder zu 35 %. Durch die Änderung sparen die Länder jährlich 1,17 Mrd. Euro ein, die in die Finanzierung von Hochschulen und Schulen gehen sollen. Ab dem Wintersemester 2016/2017 profitieren die Studierenden: Der Bafög-Satz steigt um 7 %, und Studierende, die nicht zu Hause wohnen, bekommen zusätzlich 250 Euro Wohnzuschlag — das sind 26 Euro mehr. MW


<h2>Professorinnen häufiger befristet oder in Teilzeit</h2>
Professorinnen sind mit 10 % fast doppelt so oft teilzeitbeschäftigt wie Professoren. Befristet angestellt sind 24 % der Professorinnen und 16 % der Professoren. In den Jahren 1992 bis 2011 hat sich der Frauenanteil an Hochschulen erhöht. So stieg der Anteil der Absolventinnen von 40 % auf 51 %, und der Anteil der Professorinnen von 7 % auf 20 %. Dies geht aus einem Bericht der Gemeinsamen Wissenschftskonferenz (GWK) hervor. MW
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<h2>Österreich: Fast 800 Mio. Euro für die Wissenschaft</h2>
Das Österreichische Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft stellt dem landeseigenen Wissenschaftsfonds (FWF) für den Zeitraum von 2016 bis 2018 fast 800 Mio. Euro zur Verfügung. 243 Mio. sollen davon in die Grundlagenforschung fließen. Die Fördersumme hebt den FWF aus einem Engpass. Die Förderung wissenschaftlicher Forschung und der Sonderforschungsbereiche musste dieses Jahr zunächst ausgesetzt werden, da das Budget lediglich bis 2015 gesichert war. Der FWF fördert mit voraussichtlich 80 % des Budgets wissenschaftlichen Nachwuchs an Universitäten und Forschungsinstituten. AH
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<h2>Auszeichnung für Therapiekonzepte</h2>
Die Deutschen Gesellschaft für Ernährung vergibt den Max-Rubner-Preis für Therapien ernährungsbedingter Krankheiten. Bis zum 1. Dezember können Wissenschaftler unter 40 Jahren eine Publikation einreichen, die nicht älter als drei Jahre ist. Der Preis ist mit 5000 Euro dotiert. AH
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<h2>Junge Akademie sucht zehn neue Mitglieder</h2>
Nachwuchswissenschaftler können sich bis zum 30. November für eine Mitgliedschaft bei der Jungen Akademie bewerben. Die Junge Akademie gehört zur Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften und der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina. Für fünf Jahre stehen jedem Mitglied 25 600 Euro für Projekte mit anderen Akademiemitgliedern zur Verfügung. Die Promotion sollte drei bis sieben Jahre zurückliegen. AH
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<h2>Erste deutsch-russische Universität</h2>
Am 1. September eröffnete in Kasan, der Hauptstadt der russischen autonomen Republik Tatarstan, das German-Russian Institute of Advanced Technologies. Die TU Ilmenau leitet diese weltweit erste zweistaatliche englischsprachige Universität zusammen mit der Kasaner Staatlichen TU. Bereits in diesem Studienjahr starten die ersten vier ingenieurtechnischen Studiengänge, unter ihnen Science in Chemical and Energy Engineering. Tatarstan liegt im Osten des europäischen Teils von Russland. AH
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<h2>Forschung für Phosphor</h2>
Im August gründete das Land Mecklenburg-Vorpommern mit der Universität Rostock und der Leibniz Gemeinschaft den Leibniz-Wissenschaftscampus Rostock. Unter anderem befassen sich die Wissenschaftler dort mit dem Rohstoff Phosphor. Die Leibniz-Gemeinschaft stellt anfangs 150 000 Euro zur Verfügung, danach finanziert das Land mit 80 000 Euro pro Jahr das Projekt. Die Förderung läuft höchstens bis zum Jahr 2020. MW
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.wissenschaftscampus-rostock.de" target="_blank">www.wissenschaftscampus-rostock.de</a></ext-link>
Marlene Wietelmann, Anne Hachmann, Frankfurt am Main

Forschung und Bildung

Bund übernimmt Bafög-Finanzierung Ab Anfang 2015 soll der Bund die Finanzierung des Bafög vollständig übernehmen. Bislang trägt der Bund das Bafög zu 65 %, die Länder zu 35 %. Durch die Änderung sparen die Länder jährlich 1,17 Mrd. Euro ein, die in die Finanzierung von Hochschulen und Schulen geh...

Magazin

Optische Mikroskopie und die Entwicklung der Zellbiologie stehen seit langer Zeit in einer engen fruchtbaren Beziehung zueinander. So erforschte im 17. Jahrhundert zuerst Robert Hooke den Aufbau von komplexen Lebewesen und prägte dabei den Begriff “Zelle”, bevor kurze Zeit später Antoni van Leeuwenhoek die Bakterien entdeckte. Beide mussten dafür zunächst Lichtmikroskope entwickeln.
Es dauerte dann fast 200 Jahre, bis ein deutlicher Fortschritt in der Leistung der Mikroskope erreicht wurde: Ernst Abbe gelang es, Mikroskopoptiken zu entwickeln, deren Abbildungsleistung nur noch durch das grundlegende physikalische Phänomen der Beugung begrenzt wurde. Dabei zeigte er, dass die so erreichbare Auflösungsgrenze bei etwa der halben Wellenlänge des zur Beleuchtung verwendeten Lichts, also bei ungefähr bei 250 nm liegt.
Diese Beugungsgrenze galt seither als unüberwindbare Schranke bei lichtmikroskopischen Verfahren. Dies schmerzte insbesondere in der Zellbiologie, da Strukturen hier oft kleiner als 100 nm sind.
Der Nobelpreis im Fach Chemie wird in diesem Jahr für zwei unterschiedliche Verfahren verliehen, die der optischen Mikroskopie Abbildungen jenseits der Beugungsgrenze des Lichts möglich machen. Grundlage beider Techniken ist die Fluoreszenzanregung von Molekülen. Fluoreszenzmikroskopie ist in der Praxis eine der wichtigsten lichtmikroskopischen Techniken. Sie nutzt als Fluorophore neben klassischen, chemisch synthetisierten Molekülen in starkem Umfang fluoreszierende Proteine. Für deren Entwicklung gab es im Jahr 2008 ebenfalls den Nobelpreis für Chemie [s. Nachr. Chem. 2008, 56, 1111].


<h2>Optische Einzelmolekülspektroskopie: William. E. Moerner</h2>
Das erste der beiden Verfahren baut auf der Detektion einzelner fluoreszierender Moleküle auf. Die optische Einzelmolekülspektroskopie ist eine Technik, die Ende der 1980er Jahre entwickelt wurde. William E. Moerner zeigte im Jahr 1988 erstmals, dass es möglich ist, das optische Signal eines einzelnen Moleküls zu detektieren. Dazu nutzte er eine aufwendige Doppelmodulationstechnik. Mit ihr lässt sich die Absorption eines einzelnen Moleküls bei kryogenen Temperaturen messen. Mit dem Nachweis der prinzipiellen Möglichkeit war eine wichtige psychologische Schranke genommen; allerdings waren in diesem Verfahren die Signale so schwach, dass es später keine Rolle mehr spielte.
Ein Jahr später zeigte Michael Orrit, dass mit Fluoreszenzdetektion ausgezeichnete Signal-zu-Rauschverhältnisse einzelner Moleküle erhalten werden können. Dies war der entscheidende Durchbruch zur Entwicklung einer Reihe von neuen Methoden der optischen Einzelmoleküldetektion.


<h2>Mikroskopie mit einzelnen Molekülen: Eric Betzig</h2>
Ein wichtiger Schritt für die breite Anwendung der Einzelmolekülspektroskopie war es, optische Mikroskopie zur räumlichen Auswahl von Molekülen einzusetzen. Bei tiefen Temperaturen wurden bis dahin sehr schmale Absorptionsbanden zu Selektion eingesetzt. Das erste Experiment dieser Art führte Eric Betzig durch. Für ein möglichst kleines Beobachtungsvolumen, in dem dann bei entsprechender Verdünnung nur noch ein Fluorophor vorhanden war, setzte er ein Nahfeldmikroskop ein. Damit beobachtete er erstmals einzelne Moleküle bei Raumtemperatur. In diesen Experimenten waren einzelne Moleküle mit einer Genauigkeit im Bereich von weniger als 20 nm positionierbar.
Die genaue Positionierung einzelner Molekülen erlaubt Superhochauflösungsmikroskopie. Man macht sich dabei zunutze, dass der räumliche Ursprung des Fluoreszenzsignals eines einzelnen Moleküls sehr genau zu bestimmen ist. Wenn das Molekül weit, das heißt mehr als die Beugungsgrenze des verwendeten Mikroskops, entfernt vom nächsten fluoreszierenden Molekül ist, erreicht die Positionierung eine Genauigkeit, die nur durch das Signal-zu-Rauschverhältnis des Fluoreszenzsignals begrenzt ist. 10 nm in drei Raumrichtungen sind erreichbar. Betizgs bahnbrechende Idee bestand darin, dies für hochaufgelöste Mikroskopiebilder zu nutzen. In einer dicht mit Fluorophoren belegten Probe gelingt dies, wenn die einzelnen Fluorophore voneinander durch eine individuelle Eigenschaft, beispielsweise ihrer Emissionswellenlänge unterscheidbar sind. Man kann dann sequenzielle Aufnahmen der Probe machen, wobei immer nur die Moleküle mit einer bestimmten Emissionswellenlänge abgebildet werden. Diese werden dann in jeder Aufnahme genau positioniert. Durch Kombination vieler Aufnahmen bei verschiedenen Wellenlängen entstehen so Bilder, welche die Positionen aller abgebildeten Moleküle gemeinsam zeigen. Der so erhaltene Überblick über die Probe ist eine Rekonstruktion, die einem sehr genauen Bild der Probenstruktur entspricht.
Bei den hauptsächlich unter den Akronymen Palm (Photoactivated Localization Microscopy) und Storm (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) bekannt gewordenen praktischen Umsetzungen dient als besondere Eigenschaft der Fluorophore fast immer deren Absorption bei der verwendeten Anregungswellenlänge. So sind mittlerweile sehr viele Moleküle bekannt, deren Absorptionswellenlänge optisch reversibel schaltbar ist. In der Praxis wird zunächst eine kleine Population absorbierender Probenmoleküle angeschaltet und ein Bild aufgenommen. Ist deren Fluoreszenz ausgeblichen wird die nächste kleine Population angeschaltet und wiederum ein Bild aufgenommen. Häufige Wiederholung unter Verwendung nur eines Markierungsfarbstoffs ergibt dann sehr genaue Probenbilder. Als besonders attraktiv vor allem in der Zellbiologie haben sich hier als Fluorophore optisch schaltbare fluoreszierende Proteine erwiesen, an denen Moerner früh arbeitete.
Eine grundsätzliche Kritik an dem beschriebenen Ansatz ist, dass es sich bei der erhaltenen überlagerten Aufnahme nicht wirklich um ein Bild handelt, in dem die Beugungsgrenze für die Abbildung aufgehoben wurde, sondern um eine Überlagerung von vielen, jeweils beugungsbegrenzten Aufnahmen. Für die Anwendung spielt dies jedoch keine Rolle.


<h2>Jenseits der Beugungsgrenze: Stefan W. Hell</h2>
Einen Weg, um optische Mikroskopiebilder jenseits der Beugungsgrenze aufzunehmen, schlug Stefan W. Hell im Jahr 1994 vor und setzte ihn 1999 experimentell um. Der von ihm entwickelte Ansatz der Sted (Stimulated Emission Depletion) Mikroskopie baut auf einem üblichen rasterscannenden Fluoreszenzmikroskop auf. Das Bild wird dabei durch die Bewegung eines fokussierten Laserstrahls über die Probe erzeugt, wobei an jedem Punkt die Fluoreszenzintensität gemessen wird. Es entsteht so ein pixeliertes Bild der Probe. Ein zweiter Laserstrahl wird mit dem Anregungsstrahl überlagert, um die Beugungsgrenze zu brechen. Während der Anregungsstrahl ein gaußförmiges Intensitätsprofil mit einem Maximum in der Mitte besitzt, ist die Intensität zweiten Strahls in der Mitte Null. Die Aufgabe des zweiten Laserstrahls ist es, Fluorophore die durch den Anregungsstrahl elektronisch angeregt wurden, durch stimulierte Emission wieder in den Grundzustand zu bringen. Dadurch befinden sich Fluorophore in den äußeren Bereichen der überlappenden Laserstrahlen im Grundzustand und liefern kein Signal. Dagegen fluoreszieren Fluorophore im inneren Bereich, im dem der zweite Strahl keine Intensität hat, weiter. Auf diese Weise entsteht eine fluoreszierende Population von Molekülen, die sich in einem Bereich befindet, der kleiner als die Beugungsgrenze ist. Dass dies entgegen dem Abbeschen Gesetz in einer Fernfeldabbildung gelingen kann, liegt daran, dass die Entvölkerung des angeregten Zustands über stimulierte Emission exponentiell von der Intensität des zweiten Laserstrahls abhängt. Dies macht den Kern von Hells Technik aus.


<h2>Warum Chemie?</h2>
Bei den ausgezeichneten Arbeiten handelt es sich um physikalische Methoden, die eine Revolution in der optischen Mikroskopie biologischer Proben versprechen. Auch wenn es bisher nur wenige Beispiele gibt, bei denen die beschriebenen Techniken zu bahnbrechenden neuen Erkenntnissen geführt haben, rechtfertigt das Potenzial der Methoden und deren Entwicklung in den letzten Jahren die Preisvergabe.
Eine andere Frage ist die, warum die Methoden mit dem Preis im Fach Chemie bedacht wurden. Ein Bezug zur Chemie lässt sich nur sehr bedingt — beispielsweise in der Synthese geeigneter schaltbarer Fluorophore — erkennen. Die Notwendigkeit zur Fluoreszenzanfärbung, die in den meisten Proben aus dem engeren Bereich der Chemie nicht möglich ist, schränkt die Methoden weitgehend auf die Untersuchung biologischer Objekte ein.
Eine Verbindung zur Chemie ließe sich leichter im Bereich der Einzelmolekülspektroskopie finden, den unter den Laureaten William E. Moerner vertritt. Hier gibt es mittlerweile sehr viele Anwendung auf (bio)chemische und materialwissenschaftliche Systeme. Allerdings wurde mit dem Preis explizit nur die Bedeutung der Einzelmolekülspektroskopie für die Entwicklung der optischen Mikroskopie jenseits der Beugungsgrenze gewürdigt. So bleibt als Fazit, dass ohne Zweifel preiswürdige Wissenschaftler in einem wichtigen Feld ausgezeichnet wurden, dessen Bezug zur Chemie allerdings eher gering ist.
Andreas Zumbusch, Jahrgang 1966, ist Inhaber eines Lehrstuhls in Physikalischer Chemie an der Universität Konstanz an. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Entwicklung optischer Einzelmolekülspektroskopie und nicht-linearer optischer Mikroskopie und deren Anwendung auf biophysikalische und materialwissenschaftliche Fragen. <a href="mailto:andreas.zumbusch@uni-konstanz.de">andreas.zumbusch@uni-konstanz.de</a>


<h2>Physiknobelpreis: “Ein guter Zeitpunkt”</h2>
Nachrichten aus der Chemie: Der Physiknobelpreis an Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura für die Erfindung blau leuchtender LEDs ist doch ein ziemlich chemischer Preis, oder?
Wolfgang Schnick: Ja, das ist richtig. Der Chemienobelpreis ist ziemlich physikalisch und der Physiknobelpreis ziemlich chemisch. Die Forscher haben ja zum Teil mit metallorganischen chemischen Gasabscheidungsverfahren gearbeitet, um hochreine Galliumnitridkristalle aufbauen zu können.
Nachrichten: Hätten Sie auf die drei Nobelpreisträger gewettet?
Schnick: Absolut, das Thema war einfach dran. Auch Shuji Nakamura war für mich gesetzt. Er war ja schon ein Star, der zum Beispiel einen der ersten Milleniumspreise erhalten hat.
Nachrichten: Interessanterweise hat Nakamura im Post-Nobelpreis-Interview gesagt, dass er nicht geglaubt hatte, den Nobelpreis zu bekommen, da seine Forschung zu angewandt und zu wenig akademisch sei.
Schnick: Ja, Nakamura ist Professor in Santa Barbara, aber im Grunde ist er immer noch ein Industrieforscher. Für seine eigene Firma Soraa, die er vor ein paar Jahren gründete, hat er zum Beispiel selber Risikokapital im dreistelligen Millionenbereich zusammengetragen. Amano und Akasaki sind demgegenüber eher typische Hochschulforscher. Ich finde, das Nobelpreiskomitee hat hier eine glückliche Hand bewiesen, indem es die beiden Forscher berücksichtigte, die damals im Jahr 1989 die ersten blau leuchtenden LEDs auf GaN-Basis herstellten. Dazu passt Nakamura, der dann durch Nanostrukturierung hocheffiziente industrietaugliche blaue LEDs realisierte.
Nachrichten: Das Nobelpreiskomitee betonte auch stark den praktischen Nutzen der LEDs.
Schnick: Es ist ein guter Zeitpunkt für den Preis, denn gerade wird weltweit klar, dass LEDs ungeheuer wichtig sind— Stichwort: Ressourcenschonung. Sie sind viel sparsamer, besser schaltbar und anwendungstechnisch einfach vielseitiger als alle herkömmlichen Beleuchtungssysteme. Das Komitee hat es schön ausgedrückt: Das 20. Jahrhundert wurde von der Glühlampe beleuchtet, das 21. werden die LEDs erhellen.
Nachrichten: Die eigentliche Revolution in der Beleuchtungstechnik war aber eigentlich nicht die blaue, sondern die weiß leuchtende LED.
Schnick: Ja, aber es war klar, dass dies nur durch die Entwicklung einer blauen LED zu erreichen war. Die ersten Ideen bestanden darin, die blaue dann mit rot- und grün- leuchtenden Bauteilen zu verbauen, um weißes Licht zu erhalten. Aber nachdem es 30 Jahre gedauert hatte, um eine technische Lösung für blaue LEDs zu finden, war schon wenige Jahre nach Nakamuras Entdeckung klar, dass der beste Weg zu weiß leuchtenden LEDs die Kombination von blauen LEDs mit Leuchtstoffen war.
Nachrichten: Zu LEDs können sicher auch Chemiker noch Beiträge leisten.
Schnick: Oh ja. Der jetzige Nobelpreis wurde ja für die Entwicklung von Galliumnitrid vergeben. Aber Gallium ist eines der eher seltenen Elemente. Wenn Sie im Sichtbaren emittieren wollen, benötigen Sie noch Indium darin, das ist noch seltener. Der gesamte Weltvorrat an Indium beträgt nur ein paar Tausend Tonnen.
Nachrichten: Wir brauchen also Alternativen, wenn LEDs die ganze Welt beleuchten sollen?
Schnick: So ist es. Hier kommt die Festkörperchemie ins Spiel. Der zweite Punkt sind die Leuchtstoffe, die das blaue Licht in weißes umwandeln oder bei Vollkonversion — etwa für Blinker oder Ampeln — in die monochromen Farben. Hier stehen wir auch erst am Anfang einer langen Entwicklungskette.

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