La Reale Accademia delle Scienze Svedese ha deciso di premiare con il Premio Nobel per la Chimica 2014 Eric Betzig dell'Howard Hughes Medical Institute presso Ashburn, in Virginia, Stefan W. Hell del Max Planck Institute for Biophysical Chemistry di Gottinga e William E. Moerner della californiana Stanford University per lo sviluppo della microscopia a fluorescenza con una super-risoluzione.

La rivoluzione del microscopio ottico

Un'invenzione che ha trasformato il modo in cui la scienza guarda a quel mondo infinitamente piccolo che, per la prima volta, si dischiuse sotto gli occhi degli scienziati nel XVII secolo. Furono proprio i microscopi ottici a consentire lo studio ravvicinato degli organismi viventi e delle loro parti, rivoluzionando le conoscenze dell'essere umano: si sarebbe scoperto così che esistevano i batteri e i globuli rossi, gli spermatozoi e le cellule del lievito. Il microscopio ottico è rimasto uno strumento fondamentale per la scienza anche perché altre tipologie di microscopio, come quello elettrico, possono danneggiare eventualmente le cellule.

Nonostante questa evidente importanza, comunque, per lungo tempo le funzionalità del microscopio ottico sono state limitate fisicamente: oltre una certa piccolissima dimensione, infatti, non sembrava possibile andare. Anzi, nel lontano 1873 il microscopista Ernst Abbe pubblicò un'equazione che dimostrava come la risoluzione del microscopio fosse influenzata, tra le altre cose, dalla lunghezza d'onda della luce. Per la gran parte del XX secolo questo ha portato gli scienziati a credere che non avrebbero mai potuto osservare oggetti più piccoli di 0.2 micrometri, ossia circa la metà della lunghezza d'onda della luce. Per cui, ad esempio, i contorni di alcuni organelli cellulari erano visibili: ma non si riusciva a distinguere oggetti più piccoli o seguire l'interazione tra le proteine nelle cellule. Come è facile intuire, questo problema restringeva di molto le possibilità di comprendere la realtà attorno a noi e dentro di noi.

Esempi di applicazione del limite teorizzato da Ernst Abbe
in foto: Esempi di applicazione del limite teorizzato da Ernst Abbe

La super-lente che scruta il nano-mondo

Oltre un secolo dopo sarebbe arrivata la soluzione a questo problema attraverso le ricerche di Betzig, Hell e Moerner. Hell iniziò ad appassionarsi alla questione quando era un dottorando presso l'università di Heidelberg ma all'epoca, era il 1990, il suo entusiasmo incontrò lo scetticismo dei suoi colleghi e superiori tedeschi: da qui l'idea di proseguire in Finlandia, presso l'università di Turku, i propri studi. Lì, nel 1994, descrisse per la prima volta in un articolo il metodo messo a punto chiamato STED (stimulated emission depletion) che prevede l'utilizzo di fasci laser per eccitare le molecole fluorescenti o per spegnerle. In pratica, la microscopia STED "accende" con un laser le molecole fluorescenti del campione e, al contempo, "spegne" con un altro tutta la fluorescenza proveniente esternamente al campo nanometrico. Il risultato, in buona sostanza, è la possibilità di vedere al microscopio una sola regione di dimensioni nanometriche: lo strumento scansiona nanometro per nanometro per restituire infine una immagine complessiva ricostruita ad elevatissima definizione.

Nello stesso periodo, Moerner e Betzig studiavano separatamente la possibilità di sfruttare la microscopia a singola molecola. Alla fine degli anni novanta, Moerner, individuò il modo di "accendere e spegnere" una proteina verde fluorescente scoperta poco tempo prima, aprendo così ala possibilità di osservare singole molecole. Betzig aveva il medesimo obiettivo e pensò di sfruttare anch'egli alcune molecole in grado di emettere fluorescenza di diversi colori. La stessa zona può essere così osservata, mentre le molecole si accendono e si spengono alternativamente, per ottenere immagini da sovrapporre al fine di realizzare, come prodotto finale, un'immagine ad alta definizione, superando quelli che la scienza credeva, fino a poco prima, dei limiti invalicabili.

La nanoscopia consente agli scienziati di oggi di visualizzare le singole molecole all'interno di cellule: grazie ad essa è possibile osservare come le molecole creano le sinapsi del nostro cervello, ad esempio, o comprendere il ruolo delle proteine coinvolte in malattie come l'Alzheimer o il Parkinson o, ancora, vedere cosa accade in un ovulo fecondato. Decisamente il contributo al progresso delle scoperte di  Eric Betzig, Stefan W. Hell e William E. Moerner è stato grande e probabilmente continuerà ad esserlo.