Samtal med fysikern Ralf Jungmann kräver en hel del koncentration. Han tar en i en fräsande takt genom en värld som är ofattbart liten, en värld som, enligt optikens lagar, är inte direkt tillgänglig för ens de bästa ljusmikroskop. Det är också mikrokosmos där biologiska processer är hemma. Dess invånare är metaboliter och makromolekyler vars interaktioner bestämmer förloppet och gränserna för våra liv – och vi vet fortfarande väldigt lite om det.

Men Ralf Jungmanns ambition är att föra in varje molekylär maskin i cellen inom ljusmikroskopi, en uppgift som oundvikligen leder honom till gränserna för det fysiskt genomförbara. Tillsammans med sitt 11-mannalag, Jungmann, som just har utsetts till en professur vid LMU, utvecklar ett så kallat superupplösningsmikroskop för biomedicinska applikationer, som är designad för att avbilda cellulära strukturer med hjälp av DNA-baserade märkningstekniker. Projektet har fått finansiering från mycket selektiva bidragsprogram som drivs av Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) och European Research Council (ERC).

Området för superupplösningsmikroskopi har blivit ganska trångt de senaste åren, och mycket har uppnåtts som verkade omöjligt för inte så länge sedan. Jungmann (35) spolar bort förkortningarna för de nya tekniker som har dykt upp, från STED, STORM- och PALM-mikroskopi till det fascinerande Lattice Light Sheet-mikroskopet, som skannar celler systematiskt nivå för nivå. När lyssnaren undrar hur dessa olika tillvägagångssätt skiljer sig, Jungmann säger med ett skratt:"I princip, de är alla väldigt lika varandra." I stunder som dessa, man inser att denna otillbörliga förtrogenhet är en produkt av hårt arbete och hårt tänkande – med tanke på att man har att göra med metoder som ligger på kanten av dagens teknik. För mindre än 2 år sedan, under 2014, fysikern Stefan Hell i Göttingen delade Nobelpriset i kemi med amerikanerna Eric Betzig och William E. Moerner. Alla tre hade hittat sätt att kringgå den klassiska diffraktionsgränsen och förbättra upplösningsnivån för optisk mikroskopi med upp till 10 gånger. Sedan dess, de har utökat gränsen ytterligare, in i nanometerområdet.

Konsten att skapa mönster

"Mitt mål är att öka upplösningen av fluorescensmikroskopi genom att kombinera den med verktyg från DNA-nanoteknologins värld, som DNA-origami, för att förbereda mycket specifika fluorescerande prober, " förklarar Jungmann. På så sätt, man kan uppnå en upplösningsnivå som tillåter en att visualisera strukturer på molekylär nivå. 'DNA-origami' är en annan term som ständigt dyker upp inom nanovetenskapen. I analogi med det japanska ordet det lånar, det syftar på konsten att skapa mönster och tredimensionella strukturer – inte från ett pappersark utan en uppsättning DNA-strängar.

För att förstå komplexa biologiska system, man måste kunna utforska nanovärlden. Dock, konventionella ljusmikroskop kan inte tränga in i detta rike, eftersom lagen om optisk diffraktion begränsar upplösningen till strukturer med dimensioner på cirka 200 nanometer (nm). Detta utesluter subcellulär lokalisering av proteinerna som tillhandahåller katalysatorerna, receptorer och strukturella ställningar som är viktiga för cellfunktion, så många proteiner är bara ett fåtal nm tvärs över. "Jag vill utveckla teknologier som hjälper oss att lösa biologiska problem, " säger Jungmann. "Mitt mål är att visualisera hundratals med högsta möjliga upplösning – nej, tusentals av komponenterna i celler, oavsett om proteiner, gener eller RNA-molekyler. Och jag vill göra tekniken så enkel att ett vanligt laboratorium var som helst i världen kan använda den."

Det är höga mål, men Jungmann har gjort avsevärda framsteg mot att förverkliga dem. Som student och postdoc, han fick flera utmärkelser och stipendier, från German Academic Exchange Service och Humboldt Foundation. Han utvecklade ett intresse för nanovärlden när han skrev sin diplomuppsats (om effekterna av belastning på den fina strukturen av mänskligt ben) vid University of California i Santa Barbara, när han kom över en artikel av den amerikanske forskaren Paul Rothemund. Studien beskrev hur DNA-strängar med definierade sekvenser kunde användas för att självmontera till nanometerstora mönster och figurer, inklusive den ikoniska smileyen. "Jag tyckte att det var helt fascinerande." Jungmann återvände till Tyskland och gick med i DNA Nanotechnology Laboratory ledd av Friedrich Simmel, Professor i bioelektronik vid Münchens tekniska universitet (TUM). "Vi banade väg för tekniken för DNA-origami i Tyskland, " säger han. Jungmann insåg snart att verktyg från origamivärlden kunde användas för mikroskopi. Med sin nyförvärvade expertis, han återvände till USA för att ansluta sig till Harvard.

Molekylära brödbrädor

DNA-origami tillhandahåller en metod för att bygga nanostrukturer som kan fungera som dockningsstationer – snarare som hålen i en elektronikbräda – för molekyler som fluorescerande medel som kan visualiseras med mikroskopi. Jungmann fokuserar nu på utvecklingen av nya fluorescerande taggar, vars emissionsegenskaper kan kontrolleras noggrant och differentieras – allt för att öka den optiska upplösningen. "Beslutet att komma tillbaka till München och specifikt till LMU var lätt, " säger han. "Universiteten och Max Planck-instituten (MPI) erbjuder idealiska förutsättningar för forskning." Hans CV läser som en modell för noggrann planering, och det berättar en framgångssaga. Han är medgrundare av ett företag i USA, och innehar ett dussin patent – ​​ett imponerande rekord för en 35-åring. "Det ser ut som vanlig segling i efterhand, men i själva verket berodde mycket på tillfälliga möten och beslut baserade på instinkt." Men sedan, följa sina instinkter när man väljer laboratorier där man kan lära sig något nytt, och att känna igen trender som lovar att bli "raketvetenskap" eller helt enkelt erbjuda en stimulerande miljö för lagarbete är i sig en slags plan.

Jungmann leder för närvarande en Emmy Noether Junior Research Group vid Fysiska fakulteten vid LMU, och MPI för biokemi i Martinsried. Han vann nyligen ett av de mycket välbegåvade Starting Grants som tilldelas av ERC, och ett bidrag på en miljon euro från Max Planck Foundation. Ett besök på hans labb vid MPI tyder på att dessa pengar används väl. Här hittar man ljusmikroskopet med den högsta upplösningen – 5 nm – som för närvarande kan uppnås var som helst i världen. Det är i grunden ett klassiskt fluorescensmikroskop, men med innovativa modifikationer designade och byggda av Jungmanns grupp. Laser, speglar, mål och kameror kommer från kommersiella källor, men hans medarbetare är ansvariga för den övergripande uppfattningen av instrumentet. Detta är en anledning till att tvärvetenskapligt samarbete i välintegrerade team är så viktigt. "Vi kan röra oss snabbare eftersom kommunikationen är enklare och samordningen enklare – och vi gör färre misstag eftersom vi har experter för alla detaljer, " förklarar Jungmann. Faktorer som dessa hjälper till att förklara hur man kan göra så snabba framsteg:Idéer utbyts fritt och kan snabbt bedömas och implementeras. Jungmann tillhör en ny generation forskare i Tyskland som har lärt sig att arbeta som medlemmar i nätverk Dessa transparenta och samarbetsvilliga strukturer har ersatt de hierarkiskt organiserade och inåtriktade systemen från förr.

Jungmann lärde sig hur produktivt detta tillvägagångssätt kan vara när han gick med i laboratoriet ledd av William Shih och Peng Yin vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard Medical School i Boston. Institutet har specialister inom alla relevanta discipliner, från maskiningenjörer till biologer och datavetare. Och det här är modellen han själv sätter upp för sina doktorander och masterstudenter. Till exempel, han tillbringade 30, 000 euro på en enklare version av hans rekordstora mikroskop enbart för deras användning – designad av en av hans doktorander. "Det kommer ner till 20 nm, " säger han. "Inte illa för ett gör-det-själv-jobb."

Efter att ha gått igenom Harvard-bruket

Tre av hans doktorander gjorde sin master under hans handledning när han fortfarande var på Harvard. Det utökar deras nätverk av internationella kontakter, "och att ha framgångsrikt gått igenom Harvard-bruket är en rekommendation i sig, " tillägger han. Dessa doktorander utgör nu den erfarna kärnan i hans team, något även den bästa gruppledaren inte kan vara utan. Det betyder också att idéer till projekt aldrig är en bristvara. Jungmann har stora förhoppningar på sina DNA-streckkoder, som kan riktas mot en uppsjö av specifika proteiner och RNA-sekvenser, fungerar som entydiga markörer för var och en. Dessa markörer är utrustade med fotoväxlingsbara färgämnen som, beroende på deras exakta struktur, blinka på och av under kortare eller längre perioder, och med inställbara intensiteter. "Vår metod är enklare än alla andra metoder för superupplösningsmikroskopi, " hävdar Jungmann – och han tänker här inte bara på att avbilda individuella celler utan också på cellkollektiv i vävnader. det är möjligt att observera och analysera hundratals celler åt gången med korta, färgämnesmärkta DNA-strängar som mycket specifika beacons.

Medlen som gjorts tillgängliga av Emmy Noether-programmet och ERC Starting Grant, tillsammans värda cirka 3,5 miljoner euro, ge honom utrymme att fullfölja sin dröm under de kommande åren. Dessutom, LMU erbjuder nu ERC Starting Grantees tenure-track professurer (W2) och Jungmann är bland de första att dra nytta av systemet. Den 1 augusti blev han professor för molekylär avbildning och bionanoteknologi. "Det ger mig en viss trygghet, även om det inte garanterar att jag senare kommer att få en akademisk lärostol, " säger han. Hans arbete kommer att granskas om 5 år. "Och det är naturligtvis ytterligare ett incitament för mig, " tillägger han - med ett flin.