Gesprekken met natuurkundige Ralf Jungmann vragen veel concentratie. Hij neemt er een in een sissend tempo door een wereld die onvoorstelbaar klein is, een wereld die, volgens de wetten van de optica, is niet direct toegankelijk voor zelfs de beste lichtmicroscopen. Het is ook de microkosmos waarin biologische processen thuis zijn. De bewoners zijn de metabolieten en macromoleculen waarvan de interacties het verloop en de grenzen van ons leven bepalen - en we weten er nog steeds heel weinig van.

Maar de ambitie van Ralf Jungmann is om elke moleculaire machine in de cel binnen het bereik van lichtmicroscopie te brengen, een taak die hem onvermijdelijk naar de grenzen van het fysiek haalbare leidt. Samen met zijn 11-koppige team, Jungmann, die zojuist is benoemd tot hoogleraar aan de LMU, ontwikkelt een zogenaamde superresolutiemicroscoop voor biomedische toepassingen, die is ontworpen om cellulaire structuren in beeld te brengen met behulp van op DNA gebaseerde labelingstechnieken. Het project is gefinancierd uit zeer selectieve subsidieprogramma's van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) en de European Research Council (ERC).

Het veld van superresolutiemicroscopie is de afgelopen jaren behoorlijk druk geworden, en er is veel bereikt dat niet zo lang geleden onmogelijk leek. Jungmann (35) haalt de afkortingen van de nieuwe technieken die zijn ontstaan, van STED, STORM- en PALM-microscopie tot de fascinerende Lattice Light Sheet-microscoop, die cellen systematisch niveau voor niveau scant. Terwijl de luisteraar zich afvraagt ​​hoe deze verschillende benaderingen van elkaar verschillen, Jungmann merkt lachend op:"In principe ze lijken allemaal erg op elkaar." Op momenten als deze, men realiseert zich dat deze onhandige vertrouwdheid het product is van hard werken en hard denken - aangezien men te maken heeft met methoden die aan de rand van de huidige technologie liggen. Minder dan 2 jaar geleden, in 2014, natuurkundige Stefan Hell in Göttingen deelde de Nobelprijs voor Scheikunde met de Amerikanen Eric Betzig en William E. Moerner. Alle drie hadden ze manieren gevonden om de klassieke diffractielimiet te omzeilen en het resolutieniveau van optische microscopie tot een factor 10 te verhogen. Vanaf dat moment, ze hebben de limiet nog verder uitgebreid, in het nanometergebied.

De kunst van het maken van patronen

"Mijn doel is om de resolutie van fluorescentiemicroscopie te verhogen door het te combineren met tools uit de wereld van DNA-nanotechnologie, zoals DNA-origami, om zeer specifieke fluorescerende sondes te bereiden, " legt Jungmann uit. Op deze manier men kan een resolutie bereiken waarmee men structuren op moleculair niveau kan visualiseren. 'DNA-origami' is een andere term die steeds weer opduikt in de nanowetenschappen. Naar analogie van het Japanse woord dat het leent, het verwijst naar de kunst van het creëren van patronen en driedimensionale structuren - niet van een vel papier, maar van een reeks DNA-strengen.

Om complexe biologische systemen te begrijpen, men moet de nanowereld kunnen verkennen. Echter, conventionele lichtmicroscopen kunnen niet in dit rijk doordringen, omdat de wet van optische diffractie resolutie beperkt tot structuren met afmetingen van ongeveer 200 nanometer (nm). Dit sluit subcellulaire lokalisatie uit van de eiwitten die de katalysatoren leveren, receptoren en structurele steigers die essentieel zijn voor de celfunctie, omdat veel eiwitten maar een paar nm breed zijn. "Ik wil technologieën ontwikkelen die ons zullen helpen biologische problemen op te lossen, " zegt Jungmann. "Mijn doel is om met de hoogst mogelijke resolutie honderden te visualiseren - nee, duizenden – van de componenten in cellen, of eiwitten, genen of RNA-moleculen. En ik wil de techniek zo eenvoudig maken dat een normaal laboratorium waar ook ter wereld het kan gebruiken."

Dat zijn verheven doelen, maar Jungmann heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt om ze te realiseren. Als student en postdoc, ontving hij verschillende prijzen en beurzen, van de Duitse Academische Uitwisselingsdienst en de Humboldt Foundation. Hij ontwikkelde interesse in de nanowereld tijdens het schrijven van zijn afstudeerscriptie (over de effecten van spanning op de fijne structuur van menselijk bot) aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, toen hij een paper van de Amerikaanse onderzoeker Paul Rothemund tegenkwam. De studie beschreef hoe DNA-strengen met gedefinieerde sequenties kunnen worden gebruikt om zichzelf te assembleren tot patronen en figuren ter grootte van nanometers, inclusief de iconische smiley. "Ik vond het absoluut fascinerend." Jungmann keerde terug naar Duitsland en trad toe tot het DNA Nanotechnology Laboratory onder leiding van Friedrich Simmel, Hoogleraar bio-elektronica aan de Technische Universiteit van München (TUM). "We hebben pionierswerk verricht met de techniek van DNA-origami in Duitsland, " zegt hij. Jungmann realiseerde zich al snel dat gereedschappen uit de wereld van origami konden worden gebruikt voor microscopie. Met zijn nieuw verworven expertise, hij keerde terug naar de VS om zich bij Harvard aan te sluiten.

Moleculaire breadboards

DNA-origami biedt een methode voor het bouwen van nanostructuren die kunnen dienen als dockingstations - net als de gaten in een elektronische breadboard - voor moleculen zoals fluorescerende stoffen die door microscopie kunnen worden gevisualiseerd. Jungmann richt zich nu op de ontwikkeling van nieuwe fluorescerende tags, waarvan de emissiekenmerken nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd en gedifferentieerd - allemaal in dienst van een toenemende optische resolutie. "De beslissing om terug te keren naar München en specifiek naar LMU was een makkelijke, " zegt hij. "Universiteiten en Max Planck Instituten (MPI's) bieden ideale omstandigheden voor onderzoek." Zijn cv leest als een model van zorgvuldige planning, en het vertelt een succesverhaal. Hij is mede-oprichter van een bedrijf in de VS, en heeft een dozijn patenten - een indrukwekkend record voor een 35-jarige. "Achteraf lijkt het van een leien dakje, maar in feite hing veel af van incidentele ontmoetingen en beslissingen op basis van instinct." Maar toen, het volgen van je instinct bij het kiezen van laboratoria waar je iets nieuws kunt leren, en het herkennen van trends die beloven 'rocket science' te worden of gewoon een stimulerende omgeving voor teamwerk te bieden, is zelf een soort plan.

Jungmann leidt momenteel een Emmy Noether Junior Research Group in de Faculteit der Natuurkunde van LMU, en de MPI voor Biochemie in Martinsried. Onlangs won hij een van de zeer bedeelde Starting Grants van de ERC, en een subsidie ​​van een miljoen euro van de Max Planck Foundation. Een bezoek aan zijn lab in het MPI suggereert dat dit geld goed besteed wordt. Hier vindt men de lichtmicroscoop met de hoogste resolutie – 5 nm – die momenteel overal ter wereld haalbaar is. Het is eigenlijk een klassieke fluorescentiemicroscoop, maar met innovatieve aanpassingen ontworpen en gebouwd door de groep van Jungmann. Laser, spiegels, objectieven en camera's komen uit commerciële bronnen, maar zijn collega's zijn verantwoordelijk voor de algemene conceptie van het instrument. Dit is een van de redenen waarom interdisciplinaire samenwerking in goed geïntegreerde teams zo belangrijk is. "We kunnen sneller handelen omdat de communicatie eenvoudiger is en de coördinatie gemakkelijker - en we maken minder fouten omdat we experts hebben voor alle details, " legt Jungmann uit. Factoren zoals deze helpen verklaren hoe men zo'n snelle vooruitgang kan boeken:Ideeën worden vrijelijk uitgewisseld en kunnen snel worden beoordeeld en geïmplementeerd. Jungmann behoort tot een nieuwe generatie onderzoekers in Duitsland die hebben leren werken als leden van netwerken Deze transparante en coöperatieve structuren hebben de hiërarchisch georganiseerde en naar binnen gerichte systemen van weleer vervangen.

Jungmann leerde hoe productief deze aanpak kan zijn toen hij zich aansloot bij het laboratorium onder leiding van William Shih en Peng Yin van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard Medical School in Boston. Het Instituut heeft specialisten in alle relevante disciplines in dienst, van werktuigbouwkundigen tot biologen en computerwetenschappers. En dit is het model dat hij zelf zet voor zijn doctoraats- en masterstudenten. Bijvoorbeeld, hij bracht 30, 000 euro op een eenvoudigere versie van zijn recordbrekende microscoop, uitsluitend voor hun gebruik - ontworpen door een van zijn promovendi. "Het daalt tot 20 nm, "zegt hij. "Niet slecht voor een doe-het-zelf klus."

Na het doorlopen van de Harvard-molen

Drie van zijn promovendi deden hun master onder zijn begeleiding toen hij nog op Harvard zat. Dat breidt hun netwerk van internationale contacten uit, "en met succes door de Harvard-fabriek zijn gegaan, is een aanbeveling op zich, " voegt hij eraan toe. Deze afgestudeerde studenten vormen nu de ervaren kern van zijn team, iets waar zelfs de beste groepsleider niet zonder kan. Het betekent ook dat ideeën voor projecten nooit schaars zijn. Jungmann heeft hoge verwachtingen van zijn DNA-barcodes, die kunnen worden gericht op een overvloed aan specifieke eiwitten en RNA-sequenties, dienen als ondubbelzinnige markers voor elk. Deze markers zijn uitgerust met fotoschakelbare kleurstoffen die, afhankelijk van hun precieze structuur, knipperen aan en uit voor kortere of langere periodes, en met instelbare intensiteiten. "Onze methode is eenvoudiger dan alle andere vormen van superresolutiemicroscopie, " stelt Jungmann - en hij denkt hier niet alleen aan het afbeelden van individuele cellen, maar ook aan celcollectieven in weefsels. het is mogelijk om honderden cellen tegelijk te observeren en te analyseren met behulp van korte, kleurstof-gelabelde DNA-strengen als zeer specifieke bakens.

De fondsen die beschikbaar worden gesteld door het Emmy Noether-programma en de ERC Starting Grant, samen zo'n 3,5 miljoen euro waard, hem de ruimte geven om zijn droom de komende jaren na te jagen. In aanvulling, LMU biedt ERC Starting Grantees nu tenure-track leerstoelen (W2) aan en Jungmann is een van de eersten die van de regeling profiteert. Op 1 augustus werd hij hoogleraar Molecular Imaging and Bionanotechnology. "Dat geeft me een zekere mate van zekerheid, hoewel het niet garandeert dat ik later een academische leerstoel zal krijgen, "zegt hij. Over 5 jaar wordt zijn werk geëvalueerd. "En dat is natuurlijk een extra stimulans voor mij, " voegt hij er met een grijns aan toe.