Долгое время использование оптических микроскопов упиралось в одно существенное ограничение. Через них нельзя было рассмотреть объект, который меньше чем половина длины световой волны. Однако работы Нобелевских лауреатов по химии позволили преодолеть этот лимит и перевести оптическую микроскопию в наноизмерение.
Когда-то рассмотреть клетку живого организма вплоть до каждой молекулы было невозможно. Еще в 1873 г. исследователь Эрнст Аббе установил физический лимит максимального разрешения оптического микроскопа — т.н. дифракционный лимит, половина длины волны. Для видимого света это 0,2 мкм. Например, поэтому никто не видел, из чего состоят бактерии. Звучали даже предположения, что эти организмы настолько примитивны, что никакой внутренней структуры там вовсе нет.
Лимита нет у электронного микроскопа, но его почти невозможно использовать для изучения органических объектов. Американцы Эрик Бетциг и Уильям Монер, а также немец Стефан Хелл придумали, как обойти оптический лимит и расширить сферу применения обычных микроскопов до наномира.
Если точнее, то микроскопы в данном случае используются не совсем обычные. В биологии часто используется флуоресцентная микроскопия. Образец пропитывается раствором люминофора и затем облучается светом узкого спектра (обычно для этого применяются лазеры, светодиоды или обычные лампы со светофильтрами). Люминофор затем светится другим цветом (с большей длиной волны), и именно тот является полезным сигналом. Он отсекается от «возбуждающего» сигнала с помощью специального зеркала.
Хелл в 2000 г. разработал метод «удаления» лишнего (в пространственном смысле) излучения. Используется два лазерных луча, один вызывает свечение флуоресцентной молекулы, второй «отменяет» все свечение, кроме того, что излучается в нано-масштабе. Сканируя образец, нанометр за нанометром, можно получить изображение с необходимым разрешением. В теории, метод дает неограниченное разрешение. Даже с неотточенной технологией, первая попытка сразу дала Стефану Хеллу точность 0,1 мкм, что примерно соответствует размеру больших молекул протеина.
Бетциг и Монер работали независимо и заложили основы для второго метода, микроскопии одной молекулы. Метод базируется на возможности включать и выключать флуоресценцию отдельной молекулы. Исследователь сканирует участок много раз, включая каждый раз разные молекулы. Наложение картинок дает изображение в нано-разрешении. Эрик Бетциг впервые использовал этот метод в 2006 г.
Основное применение этих методов лежит в таких сферах, как биология клетки, микробиология и нейробиология. При помощи наноскопии ученые могут отслеживать перемещение отдельных молекул в живых клетках. Они могут видеть, как молекулы образовывают связи между нервными клетками в головном мозге, отслеживать протеины, ответственные за болезни Паркинсона и Альцгеймера, видеть отдельные протеины в оплодотворенном яйце по мере развития эмбриона.
Ожидается, что в ближайшие десятилетия это позволит сделать немало биологических открытий. Исследователи считают, что сейчас есть все основания прогнозировать множество новых и ранее невозможных результатов. Они могут совершить революцию в биологии и в медицине, поскольку позволят отслеживать процессы на самом низком уровне. Поэтому, в определенном смысле, премия присуждена скорее авансом.
