Nobelin siemen kylvettiin Turun yliopistossa

20.10.2014

– Ilman Turun yliopistoa tieteellinen urani ei olisi ikinä jatkunut, Stefan Hell sanoo ja ”nostaa” puhelinyhteydellä shampanjalasia Turun yliopiston biofysiikan laboratorion kahvihuoneeseen kokoontuneelle joukolle.

Stefan Hell julkaisi ensimmäisen kerran ajatuksen Stimulated Emission Depletion eli STED-mikroskoopista vuonna 1994, jolloin hän työskenteli Turun yliopistossa.

Yhteyden toisessa päässä Erkki Soinin, Kalervo Väänäsen, Jyrki Heinon ja monen muun yliopistolaisen joukossa professori Pekka Hänninen, Onkel Pekka kuten Hellin lapset häntä kutsuvat, nostaa lasia. Viikkoa myöhemmin hän kertoo Fysiikan päivän väelle, miksi tämänvuotinen Nobel on myös Turun yliopiston Nobel.

Quantumin auditorio on viimeistä paikkaa myöten täynnä. Vuosittain vietettävillä Fysiikan päivänä on totuttu kuulemaan lisää tietoa vuotuisen fysiikan Nobelin voittajasta. Tällä kertaa tietoa on tarjolla monin verroin. Esittelyssä on myös kemian Nobelin voittajat Eric Betzig, Stefan W. Hell ja William E. Moerner.

Kemian Nobelista alustuksen pitää Pekka Hänninen, Biolääketieteen laitoksen professori. Mies, joka aloitti yhteistyön Hellin kanssa 1990, ja joka oli mukana Hellin ja tuolloin Turun yliopiston professorina toimineen Erkki Soinin kanssa ainutlaatuisen tarkan mikroskoopin kehitystyössä.

Ideoita lensi, monet päätyivät roskakoppaan, monet etenivät jatkokehittelyyn. Yksi edenneistä oli ajatus Stimulated Emission Depletion eli STED-mikroskoopista. Hell ja Sakasta Turkuun Helliä seurannut väitöskirjatyöntekijä Jan Wichmann esittelivät sen yhteisjulkaisussaan 1994.

– Siksi me väitämme, että kyse on turkulaisesta Nobelista. Alkuperäistyöt ovat täältä, Hänninen sanoo.

Tieteen kauhukakarat

Pekka Hänninen pyrkii kertomaan salintäydelle yleisölle mahdollisimman kansantajuisesti, mitä Hell on tehnyt. Sitä ennen on kerrottava miehestä nimeltä Ernst Abbe, joka 1873 määritteli perinteisen mikroskoopin tarkkuudeksi 0,2 mikrometriä. Ja tämän uskottiin olevan kiveen hakattu totuus.

Hänninen matkusti reilu parikymppisenä tutkijanalkuna Euroopan Molekyylibiologian laboratorioon (EMBL) Heidelbergiin kehittämään biologista konfokaalimikroskopiaa. Se mahdollistaa kolmiulotteisten leikkeiden tutkimisen ja oli tuolloin uusinta uutta. Kaksi vuotta myöhemmin Stefan Hell tuli samaan ryhmään toteuttamaan omia ideoitaan.

Helliä pidettiin kuitenkin radikaalina. Hännistäkin varoitettiin tekemästä yhteistyötä miehen kanssa, eikä sitä työpaikalla tehtykään. Kaksikko kuitenkin sattui asemaan samassa talossa, he ystävystyivät ja töiden päätyttyä, illan tullen kaksikon yhteistyö pyörähti käyntiin.

– Stefania pidettiin vähän ikäänkuin ”kylähulluna”, ja taidettiin pitää minuakin, Hänninen naurahtaa.

Side ei katkennut Hellin palattua Saksaan

Hänninen palasi 1992 Turun yliopistoon, mutta Hellillä on seinä vastassa. Kiistellylle tutkijalle ei löytynyt jatkorahoitusta, vaikka tuloksiakin oli jo olemassa. Hellin – ja aiempaa tarkempien mikroskooppien – onni oli, että Hänninen sai vakuutettua professori Erkki Soinin, ja kaksikko haki ja sai Suomen Akatemialta rahoitusta Soinin, Hännisen ja Hellin yhteishankkeelle.

– Stefan tuli vuoden 1993 alussa Turkuun. Sen verran utelias Suomen Akatemiakin oli, että se nimitti aivan poikkeuksellisesti ohjausryhmän seuraamaan meidän työtämme. Millään muulla apurahan saajalla ei sellaista ollut, Hänninen sanoo.

Ideoita virtasi. Tutkijat olivat vakuuttuneita, että Abben teorian ”rikkomattomuuteen” liittyi ajattelutavan virhe. Ratkaisun uskottiin löytyvän kvanttimaailmasta, fotoneja näytteessä yhdistelemällä. Mutta miten?

Hän kertoo yksityiskohtaisesti mikroskooppien erottelukyvyistä, stimuloiduista emissioista, fluoresensseistä, aikaviiveistä, pulssiviritauksista sekä diffektiorajoista. Hän esittelee, miten STEDissä käytettiin yhden säteen sijaan kahta sädettä.

Ensimmäinen säde saa molekyylit fluoresoimaan 0,2 mikronin kokoisessa tarkennuspisteessään ja toinen, optisen ”munkkirinkilän” kaltaiseksi muokattu säde sammuttaa hahumisen kaikkialta muualta paitsi muutaman kymmenen nanometrin kokoisesta pisteestä ”munkkirinkilän” keskeltä. Kuva muodostuu piste pisteeltä tietokoneen muistiin kuin tuota pientä muutaman kymmenen nanometrin kokoista fluorosenssipistettä liikutetaan biologisessa näytteessä kiinnostuksen kohteen yli.

– Me saimme paljon ideoita. Ja aina jotain roiskahteli. Kun Stefan siirtyi takaisin Saksaa, ei optinen nanoskopia ollut vielä kuin pienen piirin hyväksymää, mutta hän oli saanut meidän ”vahingoillamme” jo sen verran nimeä, että hän pääsi eteenpäin, Hänninen muistelee.

Hell jatkoi omaa tutkijantietään, Hänninen (kuvassa) omaansa. Viimeinen yhteisjulkaisu heiltä on reilun kymmenen vuoden takaa. Biofysiikan laboratoriossa jatkettiin saatujen tulosten käytännön sovelluksilla ja muun muassa TPX-tekniikka, pikkulasten virus- ja bakteerianalytiikka, sekä Agsens-tekniikka vähän yllättävänkin alueen, öljynporauksen vesianalytiikkaan, ovat esimerkkejä työn tuloksista.

Yhteys ei silti ole katkennut. Miehistä tuli perhetuttuja, ja Hell on vieraillut useaan kertaan luennoimassa Turun yliopistossa, viimeksi vuosi sitten, kun Turussa juhlistettiin superresolution-mikroskoopin keksimisen 20-vuotisjuhlaa.

Ei Nobelia ilman sovelluksia

Hell jatkoi Saksassa tutkimuksiaan. Hellin luoma mikroskooppi ei yksin riittänyt palkinnon arvoiseksi. Nobel-palkinto edellyttää myös sovelluksia.

Hänninen kertoo, miten STEDin (kuvassa STED-mikroskoopin kuva oikealla) avulla on jo päästy katsomaan hermoimpulsseissa tapahtuvaa kemiallista liikettä. Hellin, Betzig ja Moernerin työn on arvioitu mahdollistavan hoidon löytymisen alzheimerin tautiin ja osteoporoosiin. Tuorein tieto kertoo, että mikroskooppien avulla on saatu selville, miten HIV infektoi solua.

– Me raotimme hieman kantta, nyt työtä tehdään sovellusten puolella, Hänninen sanoo.

Teksti: Erja Hyytiäinen
Kuvat: Max Planck Institute for Biophysical Chemistry ja Erja Hyytiäinen

Luotu 20.10.2014 | Muokattu 21.10.2014