Штефан Хелль

Штефан Хелль (нем. Stefan Hell; род. 23 декабря 1962, Арад, Румыния) — немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по химии 2014 года. Основные научные достижения связаны с разработкой методов флуоресцентной микроскопии, преодолевающих дифракционный предел Аббе, что позволило получать изображения биологических объектов с нанометровым разрешением.

Биография

Штефан Хелль родился в 1962 году в городе Арад (Румыния) в семье этнических немцев. В 1978 году его семья эмигрировала в ФРГ, где он окончил гимназию в Людвигсхафене. В 1981 году поступил в Гейдельбергский университет, где изучал физику. В 1987 году получил диплом, а в 1990 году — докторскую степень (Dr. rer. nat.) за диссертацию по конфокальной микроскопии, выполненную под руководством Зигфрида Хункеля.

После защиты докторской Хелль работал в Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, а затем в Биофизическом институте Общества Макса Планка в Гёттингене. В 1993 году он стал руководителем исследовательской группы в Университете Турку (Финляндия), где в 1994 году впервые предложил концепцию микроскопии STED (Stimulated Emission Depletion — микроскопия на основе истощения возбуждённого состояния стимулированным излучением).

С 2002 года Хелль является директором Института биофизической химии Общества Макса Планка (ныне Институт мультидисциплинарных наук имени Макса Планка) в Гёттингене. С 2003 года он также возглавляет отделение оптической наноскопии в Немецком центре исследования рака (DKFZ) в Гейдельберге. В 2014 году совместно с Эриком Бетцигом и Уильямом Мёрнером получил Нобелевскую премию по химии «за развитие флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения».

Научный вклад

Дифракционный предел и его преодоление

Долгое время считалось, что разрешающая способность оптических микроскопов ограничена дифракционным пределом, сформулированным Эрнстом Аббе в 1873 году. Согласно этому пределу, минимальное расстояние между двумя точками, которые можно различить в оптический микроскоп, составляет примерно половину длины волны используемого света (около 200–250 нм для видимого диапазона). Хелль показал, что этот предел можно преодолеть, используя нелинейные оптические эффекты.

Микроскопия STED

В 1994 году Хелль предложил метод STED (Stimulated Emission Depletion), который стал первым практически реализованным методом флуоресцентной наноскопии. Принцип метода заключается в следующем:

1. Образец окрашивается флуоресцентными красителями.
2. Возбуждающий лазерный луч фокусируется на образце, вызывая флуоресценцию в дифракционно-ограниченной области.
3. Второй лазерный луч (STED-луч) с длиной волны, сдвинутой в красную область относительно возбуждающего, фокусируется в виде кольца вокруг центральной точки. Этот луч гасит флуоресценцию на периферии возбуждённой области за счёт стимулированного излучения.
4. В результате флуоресценция регистрируется только из центральной области размером значительно меньше дифракционного предела (до 20–30 нм).

Первый экспериментальный прототип STED-микроскопа был создан Хеллем в 1999 году. В 2000 году он продемонстрировал разрешение порядка 30 нм на биологических образцах. Метод STED позволяет наблюдать живые клетки и их органеллы в реальном времени, что невозможно при использовании электронной микроскопии.

Микроскопия MINFLUX

В 2016 году группа Хелля разработала метод MINFLUX (Minimal Photon Fluxes — минимальные потоки фотонов), который объединяет принципы STED и локализационной микроскопии. Этот метод позволяет достигать разрешения до 1–5 нм, что приближается к размерам отдельных молекул. MINFLUX использует кольцевую структуру возбуждающего луча для точного определения положения флуоресцентной молекулы с минимальным количеством фотонов.

Другие методы

Хелль также внёс вклад в развитие:

• Микроскопии GSD (Ground State Depletion) — метода, основанного на истощении основного состояния флуорофоров.
• Микроскопии STED с двумя фотонами — для глубокого зондирования тканей.
• Нанометрии на основе флуоресцентных молекул — методов, позволяющих отслеживать движение отдельных молекул в клетках.

Применение

Методы, разработанные Хеллем, нашли широкое применение в биологии и медицине:

• Изучение синаптических структур — визуализация белков в синапсах нейронов с нанометровым разрешением.
• Исследование клеточного деления — наблюдение за поведением микротрубочек и центросом в живых клетках.
• Нейробиология — картирование распределения рецепторов и ионных каналов на мембранах нейронов.
• Клеточная биология — изучение организации хроматина, ядерных пор и митохондрий.
• Медицинская диагностика — анализ биопсийных образцов с высоким разрешением для выявления патологических изменений.

Признание и награды

• 2002 — Премия Карла Цейса (Carl Zeiss Research Award)
• 2006 — Премия Германии за будущее (Deutscher Zukunftspreis) — высшая немецкая награда за инновации
• 2008 — Премия Отто Хана (Otto Hahn Prize)
• 2011 — Премия Кавли в области нанонауки (Kavli Prize in Nanoscience)
• 2014 — Нобелевская премия по химии (совместно с Э. Бетцигом и У. Мёрнером)
• 2015 — Орден «За заслуги перед Федеративной Республикой Германия»
• Член Леопольдины (Национальной академии наук Германии), член Национальной академии наук США (иностранный член), член Лондонского королевского общества (иностранный член)

Критика и дискуссии

Присуждение Нобелевской премии Хеллю, Бетцигу и Мёрнеру в 2014 году вызвало дискуссию в научном сообществе. Некоторые исследователи указывали на то, что работы Хелля по STED были предвосхищены более ранними теоретическими работами других учёных, в частности, советского физика В. П. Быкова и немецкого физика Г. Цеха. Однако Нобелевский комитет подчеркнул, что именно Хелль впервые экспериментально реализовал метод, преодолевающий дифракционный предел, и продемонстрировал его практическую применимость в биологии.

Источники

• Stefan W. Hell, Jan Wichmann. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy // Optics Letters. — 1994. — Vol. 19, № 11. — P. 780–782.
• Thomas A. Klar, Stefan W. Hell. Subdiffraction resolution in far-field fluorescence microscopy // Optics Letters. — 1999. — Vol. 24, № 14. — P. 954–956.
• Stefan W. Hell. Far-field optical nanoscopy // Science. — 2007. — Vol. 316, № 5828. — P. 1153–1158.
• Francisco Balzarotti, Yvan Eilers, Klaus C. Gwosch, et al. Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes // Science. — 2017. — Vol. 355, № 6325. — P. 606–612.
• Нобелевская лекция Штефана Хелля (2014) // Nobelprize.org.
• Биография Штефана Хелля // Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences.