En mikroskopexpert vid namn Ernst Abbe hade allting klart för sig redan 1873.
– Inget ljusmikroskop kommer någonsin kunna visa detaljer som är mindre än halva ljusets våglängd, resonerade han.
Årets vinnare av kemipriset, Stefan Hell, Eric Betzig, och W. E. Moerner, har krossat den föreställningen, genom att ta mikroskopet in i nanodimensionen. Vad kan vara mer tillfredsställande för en forskare än att omkullkasta tidigare teorier?
Observationer på molekylnivå
Deras forskning har gjort att det nu går att studera levande celler in i minsta molekylära detalj, och forskartrion har själva visat vilka praktiska användningsområden som tekniken innebär.
Stefan Hell har observerat hur synapser formas mellan hjärnans nervceller. Eric Betzig har sett hur proteiner delas i ett befruktat ägg, medan William Moerner har undersökt hur proteiner klumpas ihop och leder till sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons.
Årets nobelpris i kemi tilldelas alltså en upptäckt som har många konkreta användningsområden. Med nanoskopins intåg finns det teoretiskt sett inte längre någon struktur som är för liten att beskåda, och varje dag kommer nya rön som hittats med teknikens hjälp.
Olika vägar dit
Hur lyckades de då upptäcka saker som var mindre än Ernst Abbes föreslagna minimigräns på 0,2 mikrometer? Deras forskning har inspirerats av varandra, men var och en gjorde det på olika sätt.
Tysken Stefan Hell levde i självvald exil i Finland på 1990-talet, eftersom kollegorna i hans hemland inte delade hans visioner. Han ville nämligen bevisa att det gick att se djupare än vad Ernst Abbe föreslagit, vilket ansågs ogörligt.
Vid universitet i Åbo fick han fritt spelrum att ta ut svängarna, och där sysslade han med så kallad fluorescensmikroskopi, som går ut på lysa upp celler med hjälp av fluorescerande antikroppar. Upplösningen var dock för låg för att se enskilda DNA-slingor, eftersom alla slingor lyser med samma styrka och därmed ser ut som att de flyter samman.
En dag bläddrade han i en bok om kvantoptik, och reagerade när han såg orden stimulerad emission.
– I den sekunden kom insikten till mig. Jag hade slutligen hittat en bärande idé – en verklig tråd att följa, har han sagt.
Tänder och släcker
Enkelt sammanfattat innebär stimulerad emission möjligheten att släcka ner just sådana lysande molekyler som han redan studerade. Genom att först skicka en puls som lyser upp ett fält av molekyler, och sedan släcka ner allt utom ett område i mitten av molekylklumpen, kunde han betrakta en nanometer av det undersökta området i taget.
Sveper man fram och tillbaka över en cell med denna metod, som en ficklampa över ett mörkt golv, så kan man bygga en mosaik av massa små bilder som tillsammans ger en skarp bild.
År 2000 bevisade Hell att metoden fungerade i praktiken. Med sitt STED-mikroskop (stimulated emission depletion) kunda han avbilda en tarmbakterie, E. coli, på ett sätt som tidigare aldrig skådats.
Gjorde gelé av maneter
De två amerikanska prisvinnarna, Betzig och Moerner, bidrog var för sig till att utveckla nanoskopin på ett annat sätt: De tog fram enmolekylmikroskopin.
1989 blev William Moerner först i världen med att mäta ljuset från en enda molekyl, och åtta år senare bevisade han att det går att kontrollera hur olika molekyler lyser. Metoden tog han fram vid University of California i San Diego, genom att utvinna grönskimrande protein från en självlysande manet. Detta spädde han sedan ut i en gel, så att proteinerna från maneten befann sig på långt avstånd från varandra.
När manetgelén kletades ut på ett studieobjekt lös de var och en upp små områden i taget, och på detta vis kunde Moerner observera enstaka molekyler som befann sig på ett avstånd som var större än Abbes föreslagna gräns från år 1873.
Prövade att färglägga molekylerna
Den tredje herren, Eric Betzig, var också en framstående mikroskopforskare. Istället för att jobba med små utsnitt, som de andra två, valde han till en början att studera molekyler med hjälp av olika färger. Genom att först ta en bild på exempelvis gröna molekyler, och sedan röda och gula, kunde han lägga dessa färgbilder ovanpå varandra, och bygga upp en bild på det viset.
Metoden hade dock vissa problem, eftersom det var svårt att särskilja färgerna ifrån varandra. Betzig tröttnade, och 1995 lade han ner sin forskning och började jobba för sin pappa istället.
Under många år var han helt frånkopplad från vetenskapen, men 10 år senare väcktes lusten till liv igen, då han insåg att molekylerna inte behövde ha olika färger. Det räckte med att de lös upp vid olika tidpunkter. Genom att skicka små och svaga ljuspulser lös bara ett fåtal av de självlysande proteinerna upp åt gången. Gjordes denna procedur ett flertal gånger efter varandra kunde man lägga ihop bilderna till en helhet.
En av forskarna brukar besöka Sverige
Reine Wallenberg, professor i kemi vid Lunds universitet, säger till SVT att nanoskopin som nobelprisvinnarna utvecklat har en extra viktig funktion.
– Det bästa med deras metoder är att de kan användas utan att ta död på cellerna. Om det är något som händer i en cell, något som börjar bete sig konstigt, så kan man sätta en markör på det och följa processen medan cellen fortfarande lever, säger han.
Han har själv kommit i kontakt med Stefan Hell, den tyske nobelprisvinnaren.
– Han brukar komma hit på somrarna och föreläsa om sitt STED-mikroskop. Vi har faktiskt ansökt om att få ett eget sådant mikroskop, och den ansökan ska in till Stockholm i morgon. Men jag hade ingen aning om att han skulle vinna, säger han.
Tror du att chansen att få mikroskopet ökar på grund av Nobelpriset?
– Haha, nja, nu lär vi ju få mer konkurrens från andra skolor som också vill ha samma mikroskop, säger Reine Wallenberg.