Women in Research: Apply for That Dream Job, Says #LiNo17 Participant Katherine MacArthur

Interview with young scientist Katherine MacArthur

This interview is part of a series of interviews of the “Women in Research” blog  that features young female scientists participating in the 67th Lindau Nobel Laureate Meeting, to increase the visibility of women in research (more information for and about women in science by “Women in Research” on Facebook and Twitter). Enjoy the interview with Katherine and get inspired.


Photo: Courtesy of Katherine MacArthur

Photo: Courtesy of Katherine MacArthur

Katherine MacArthur, 28, from the United Kingdom is a postdoctoral researcher at the Ernst Ruska Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons, Forschungszentrum Juelich, Germany. In her research, she is trying to push the limits of characterising catalyst nanoparticles in the electron microscope. If we can understand their structure better then we can relate this back to their catalytic properties and try to make better catalysts. Can we really count the atoms and determine their atom type and how does that relate to the particles catalytic properties?


What inspired you to pursue a career in science/chemistry?

I have always been interested in understanding why things work the way they do. I’m very much an applied scientist/engineer. I like to be solving a real world problem. I remember doing a lot of miniature science/craft projects at home with my mother, for example, growing salt crystals, and clay modelling. I would often dismantle things to see how they were made. Physics and chemistry were always my favourite classes in school. I particular liked the chemistry practicals and mixing chemicals together for different results. I think a lot can be said for exceptional school teachers who make the subject engaging as starting point towards a specific career in that subject.

I fully credit my careers adviser at school for helping me choose which science degree to study. She was the first to suggest Materials Science to me as an option. In particular, the course at Oxford University which had a French language option looked the best option. This is because it combined as many of my A-level subjects as possible (at the time these were Maths, Chemistry, French, Product Design and Theatre Studies). Ok, it didn’t containing anything to with Theatre Studies, but all the other four subjects were covered. In an effort to find out more I booked onto a Materials Open Day in Oxford. A day which I thoroughly enjoyed. There was a vast array of practicals which demonstrated simple materials properties, all of which had a real connection to real world problems that thoroughly appealed to my practical mind set.


Who are your role models?

My mother has demonstrated how fruitful life can be juggling a career and family life, she is an inspiration. Otherwise I tend to get small inspirations from many of the people I interact with in my daily life. The variety reminds me that there is no specific route one should take to a permanent position in science. For that reason there is no one person who I can look at a say, ‘I wish I had their career’. Instead, I just look at what aspects of someone’s career I am inspired by.


How did you get to where you are in your career path?

The first hurdle in my scientific career came right at the beginning when I chose Materials Science as the degree I wanted to take but realised they recommend Physics A-level which I did not have. I was very fortunate that my school allowed me to take complete the Physics A-Level in one year by taking 1st year and 2nd year courses in parallel, adjusting the timetable completely so that I was able to manage my new set of courses. I got my offer from Corpus Christi College, Oxford and I got my 3 A’s in Physics, Chemistry and Maths. Later on my College Tutor who interviewed me said he is still yet to accept a candidate without Physics A-level, so it was clearly worth the extra effort. I found Oxford both enriching and immensely challenging at the same time. It is difficult to be in such an environment surrounded by some of the best minds without developing some sort of inferiority complex. You have to learn to re-evaluate what you classify as good results, and keep reminding yourself that just because the people you spend your day to day life with are immensely clever, does not diminish how clever you are. Unfortunately, I developed an illness known as IBS which is made considerably worse by stress, and I completed my final exams on quite a lot of painkillers. Now I manage the condition but it flares up occasionally, e.g. if I have a impending deadline that I’m not ready for.

[…] the idea that it is possible to image individual atoms was simply astounding […]

For my final year masters project I chose to specialise in high resolution electron microscopy, the idea that it is possible to image individual atoms was simply astounding. I spent many, many hours imaging gold nanoparticles after different heat treatments and was enjoying it so much I already knew that I wanted to do a PhD in Microscopy. Although I researched many options I actually ended up reapplying to Oxford. However I did change supervisors in order to work with Professor Peter Nellist (my college Tutor), Dr Sergio Lozano-Perez and Dr Dogan Ozkaya. The project was sponsored Johnson-Matthey and so had an industrial focus on the catalysts which I like as a link to real world applications. My PhD in Oxford was rather different to my undergraduate degree. Having three supervisors meant there were always at least 3 branches of the project I could work on at any one time. I thoroughly enjoyed this aspect particularly as I find it stops me getting too focused and stuck on any one avenue of research. Towards the end of my PhD (some time in my 3rd year) I began to feel a crisis of confidence, I still wanted to be a scientist but I began to feel like I wouldn’t be good enough to have an academic career. I had been jointly working with two or three other people and I began to worry that there wasn’t anything that I could point at as distinctly my contribution. It also didn’t help that I was still the most junior person in the research group as it consisted of me and two postdocs. They both made me feel like research required a real amount of bravado to convince people that your ideas are the best (at least to get successful funding applications). There was a hunger to survive in research which I saw in them that seemed essential for a career in scientific research and which I felt I lacked. I now believe differently, I think you can be a lot quieter and humbler and people will still notice if you have interesting and worthwhile results. After long discussions with all my supervisors (Dogan help in particular because he was able to explain to me why he left academia for industry) I decided to try out a postdocs position before I made my decision about staying in academia or not.

The coolest project is normally whatever I’m working on at the moment.

The place I’m at now (Forschungszentrum Juelich) was actually chosen slightly at random. I’ve heard one of my colleagues describe it as a Venn diagram approach. My husband and I both spoke to our supervisors and sent out a whole lot of emails to find out the availability of postdoc positions in research groups we liked. We each attached the others CV to our emails with a note asking if they knew of any groups in the area which would have a suitable position for our other half. From that I drew up a list of places I liked and he the places he liked. We ended up with a choice of two places in Germany, Juelich-Aachen or Stuttgart-Karlsruhe. Juelich has 5 top end electron microscopes where most places have only one, making it a fantastic hub of research in microscopy. Unfortunately they didn’t have any money to actually employ me but encouraged me to apply for a Helmholtz postdoctoral scholarship, making it the more risky option but would be fantastic if it worked out. Although it was rather nerve-racking at the time, I started in Juelich on a 3 months contract before I found out if my funding was successful or not. Thankfully it was and I’m now in my second year, thoroughly enjoying science again and having just come back from a 2 month research stay in Australia that I never thought I would do two years ago. I even have it in my sights to try and apply for a tenure track position next year.


What is the coolest project you have worked on and why?

The coolest project is normally whatever I’m working on at the moment. I never have the inspiration to work on something unless I think it’s cool. That being said there is one project which has just been written up into a first paper that I think has real potential. Essentially, we were able to determine the 3D atomic structure of Pt nanoparticles from a single experimental image. Being able to determine a structure from one image (normally requiring 20 or more) means we can get the atomic structure of several particles in the time it took to get one, leading to higher throughput. It also means we are damaging the particles less under the electron beam the structures we get will be more accurate.

A simulation group in the University of Southampton has now done some modelling calculations on these structures. This is an important step for several reasons; firstly, it’s never been done before. Prior to this modelling has always been carried out on ‘perfect’ or ‘ideal’ structure with atomically perfect particles in their equilibrium shape. In reality catalyst particles are never going to have ‘perfect’ structures, there will always be kinetic effects in the synthesis or impurities which affect the shape and structure. Therefore to understand real catalysts we need to model real structures. As with most materials science challenges is often the deviations and defects from a perfect crystal structure which actually end of controlling overall materials properties. Therefore being able to characterise and model such defects is essential to understanding exactly what is happening down at the atomic level.


What’s a time you felt immense pride in yourself/your work?

The first time I ever tuned a microscope by myself to resolve atomic columns. I was so excited I took a picture on my phone and sent it straight to my boyfriend. I think it might be a bit like when you’re groping and fumbling around to find your glasses. You finally find them and put them on and can suddenly see everything clearly again. It’s as sudden as this in the microscope and it’s beautiful. I love that moment every single time, when your visibility suddenly improves and you can actually see atoms. I still send my (now) husband a picture if I find a particle that is just too pretty and I have to share it with someone.


What is a “day in the life” of Katherine like?

Photo: Katherine MacArthur

Photo: Courtesy of Katherine MacArthur

I normally get into work 8-8:15. I pour myself a cup of peppermint tea and check my emails. In 90 percent of my days I will spend all day at my computer. Setting up simulations, analysing data taken on a microscope, writing software or reading/writing papers. I normally get a microscope session once every couple of weeks and it takes me that long to understand the images from a previous session. I have a quick packed lunch and then a group of us go out to play Boules if the weather is nice. When I am on the microscope I will work from 8 am through until I get too tired or until I’ve collected everything I think I can get that day. Therefore if the microscope is working well, I have been known stay well until the middle of the night, because the data coming out of the machine is so beautiful. Plus if you are collecting data after normal working hours, there’s normally no-one around to slam doors or run loud machines and carelessly mess up your data.


What are you seeking to accomplish in your career?

I think the way that the scientific community is structured makes it very difficult to have long term goals. My contract only lasts for two more years and each funding application is typically a 3 year timescale. In that time you need to have real results to prove you’ve achieved something which was worth funding. Personally, things have been a little shaken up with the Brexit vote. My husband and I had planned to do 3-4 years in Germany before moving back to the UK. Now I think we are already seeing a drop off in scientific funding options and I think there will be fewer jobs available in research. Therefore we’ve had to come up with a new plan rather quickly. I have a plan to apply for a large 5 year funding grant. If I’m successful with this then my husband and I will be staying in Germany, if we’re not successful then we’ll be looking to move somewhere within the EU. Ideally, I would like to end up in a permanent position linked with a university where I’m also able to do some teaching. I really enjoy sharing my scientific knowledge with other people and really enjoyed my time spent tutoring at Oxford. However, I’m a long way off that just yet so it’s easier to think it short-term goals.


What do you like to do when you’re not doing research?

When I’m not doing research, I’m normally cooking/baking. I normally cook a meal completely from scratch every night. With my IBS I have to avoid ready-made sauces and ready meals. This means I have learned how to make a lot of different things including: currys, pizza, sweet and sour sauce, and various pasta sauces all from scratch. My herb and spice rack is rather extensive for this reason. I find it helps me to relax and unwind from the day I’ve had. Some nights I just throw things into a pan for a quick stir-fry, but other nights (if I have time) I go for something much more complicated. I don’t always have time to cook something extravagant as I have German classes, Bible study and dancing most nights of the week.

I would recommend […] always applying for a position you like the look of even if you worry that you might not fulfill all the criteria.

Of those activities my main passion is the dancing. During my time in Oxford I learned to dance Latin, Ballroom, Salsa, Rock and Roll among others. Now I just limit myself to acrobatic rock and roll twice a week. There’s nothing quite like being thrown upside down to clear your head! Plus I learned during my time in Oxford where the motto is ‘work hard, play hard’ that after a mentally tiring day you sleep an awful lot better if your physically tired as well.


What advice do you have for other women interested in science/chemistry?

As corny as it sounds I would say believe in yourself or find someone who believes in you. Whenever I have a small crisis of confidence or worry that things aren’t going to come together in time, I have a wonderful husband who reminds me of all the things I have achieved and so why would this situation be any different. I would recommend thinking positively and always applying for a position you like the look of even if you worry that you might not fulfill all the criteria. In all my discussion on gender issues and why there aren’t enough women in high ranking positions, there was one statistic that stood out for me. It said that most men will normally apply for a job even if they only fulfill 60 percent of the criteria, whilst most women will wait until they fulfill 100 percent of the criteria before applying for a position. If this statistic is true there are lot of women out there who take themselves out of the running of top jobs by not even applying in the first place.


In your opinion, what will be the next great breakthrough in science/chemistry?

In the field of electron microscopy I think the biggest breakthroughs come through in instrumentation. For chemistry this has come in the form of new holders which allow the in-situ flow of gas or liquids around the sample whilst still being able to image with the electron beam. This is still an expanding area of research and currently has made a lot of pretty videos but is a lot harder to understand the exact processes going on. Getting real catalysts in under microscope in reactive conditions, I think will be essential to really understanding the catalytic process and how to improve it. I think I lot more can be done in terms of quantification. Can we measure the exact ratio of the gases going in and coming out (this is tricky as very small volumes are involved)? Can we track compositional changes with time and understand particle degradation processes? For Fuel-Cell catalysts there has been a lot of success in developing better catalysts than those commercially available, but the problem is over time the particles degrade and activity is lost. We need to understand and prevent these degradation mechanisms in order really achieve more efficient Fuel-Cells.


What should be done to increase the number of female scientists and female professors?

Personally I think it’s still more an issue of cultural expectations than anything else. I don’t think we’ll ever be close to reaching gender equality until it is just as socially acceptable for a man to change his surname after marriage as it is for a woman. Far too many people had an opinion on what I was going to do with my surname when I got married. This was an issue which was entirely mine as it was completely assumed that my husband (also a scientist) would keep his name exactly as it is. It may sound like a trivial thing, but I think about it: scientific achievement is measure by how many papers and citations you have. If you choose to modify your name you need to do it carefully so that all your papers can still be attributed to you. Otherwise you are losing out just because you changed your name.

I don’t think we’ll ever be close to reaching gender equality until it is just as socially acceptable for a man to change his surname after marriage as it is for a woman.

I think the ratio of female to male really drops of during the postdoctoral years. Spending your time on limited 1 or 2-year fixed termed contracts doesn’t really provide a great deal of stability financially. I think women worry about this more, especially if they’re looking to start a family. Also as I said above not enough women are applying for the top end positions, so they may be moving from postdoctoral positions to permanent positions later in their career. In Germany they try to actively combat this issue with positive discrimination. For example, they have a professorship funding option available only to women and some of their lower level funding specifies that at least 40 percent of the awards will be given to women. I still haven’t decided if I agree with this practice or not, but if it does succeed in encouraging more women to apply then it could be a good approach. However, it might leave some people believing they only got the position in order to ‘fill a quota’.

„Das könnte unser Wissen über molekulare Abläufe revolutionieren“

Forscher um Nobelpreisträger Stefan Hell am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie können einen weiteren Durchbruch in der Lichtmikroskopie vermelden: Ihr neu entwickeltes MINFLUX-Mikroskop kann Moleküle optisch trennen, die nur wenige Nanometer voneinander entfernt sind. Damit erreicht das neue Fluoreszenzmikroskop eine 100-fach höhere Auflösung als konventionelle Lichtmikroskope und eine zwanzigfach höhere Auflösung als bisherige hochauflösende Mikroskope.

Der Chemienobelpreis 2014 war der Überwindung der sogenannten optischen Auflösungsgrenze gewidmet. Mehr als ein Jahrhundert lang galt die halbe Wellenlänge des Lichts, ungefähr 200 Nanometer, als absolute Auflösungs-Untergrenze für Lichtmikroskope. Als Stefan Hell in Heidelberg Physik studierte, wurde diese Lehrmeinung immer noch gepredigt – doch der junge Physiker wollte diese Grenze nie akzeptieren. In den folgenden Jahren entwickelte er nach und nach die STED-Mikroskopie (stimulated emission depletion microscopy). Während der 1990er Jahren gelang es ihm als Erster diese Grenze zu knacken, sowohl theoretisch als auch experimentell. Hierfür erhielt er den 2014er Nobelpreis, zusammen mit den amerikanischen Physikern Eric Betzig und William E. Moerner, „für die Entwicklung der superauflösenden Fluoreszenz-Mikroskopie“.

Doch wie funktioniert die STED-Mikroskopie überhaupt, und warum kann sie als Grundlage für das neue Mikroskop dienen? So erklärt Hell selbst seine Erfindung: „Wenn ich zwei Punkte nicht trennen kann, weil beide leuchten, dann mache ich eben einen dunkel. Und dann siehst du den anderen Punkt. Wenn ich das einfallende Licht bündele, dann treffe ich viele Moleküle. Aber wenn ich dafür sorge, dass alle Moleküle dunkel sind, außer einem, oder wenigen, dann kann ich das eine, oder die wenigen, die leuchten, von den anderen trennen.“ Die Abdunklung erfolgt mithilfe von optischer Interferenz: Da das fluoreszierende Leuchten der Moleküle von einem Laserstrahl angeregt wird, ist es auch möglich, mit einem zweiten Laserstrahl viele dieser Moleküle zu verdunkeln, wenn man die Wellenlänge dieses zweiten Strahls so reguliert, dass beide Wellen sich gegenseitig aufheben. Dieser zweite Strahl ist ringförmig, die Amerikaner sagen Donut-förmig, sodass nur in seiner Mitte ein winziger heller Fleck bleibt. Der Ring außen herum ist abgedunkelt (siehe Bilder unten). Den übrig gebliebenen sehr kleinen, leuchtenden Punkt können die Forscher nun analysieren.


So funktioniert die STED-Mikroskopie: Mit einem Anregungsfokus wird eine Probe angeregt (links), ein ringförmiger Ausschaltefokus wird darüber gelegt (Mitte), der verbleibende fluoreszierende Bereich ist jetzt deutlich kleiner als vorher (rechts). Fotos: Marcel Lauterbach, CC BY-SA 3.0

So funktioniert die STED-Mikroskopie: Mit einem Anregungsfokus wird eine Probe angeregt (links), ein ringförmiger Ausschaltefokus wird darüber gelegt (Mitte), der verbleibende fluoreszierende Bereich ist jetzt deutlich kleiner als vorher (rechts). Fotos: Marcel Lauterbach, CC BY-SA 3.0

Beim MINFLUX-Mikroskop kombinierten die Mitarbeiter von Hells Forschungsgruppe nun die Vorteile des STED-Mikroskops mit denjenigen der PALM-Methode (photo-activated localization microscopy), die von Nobelpreisträger Eric Betzig entwickelt wurde. In diesem Ansatz, der auch PALM/STORM genannt wird, werden ebenfalls einzelne Moleküle quasi an- und ausgeknipst. Dieses An- und Ausschalten erfolgt jedoch zufällig, nicht zielgerichtet wie bei STED. Betzig und Kollegen verwendeten hierfür einen kurzen Laserimpuls, der nur wenige Moleküle zum Leuchten anregt, die daraufhin lokalisiert werden können. Wenn diese Moleküle verglüht sind, wird der nächste Laserimpuls verwendet, und so weiter. Am Ende haben alle Moleküle der Probe einmal geleuchtet, und sie konnten auf diese Weise lokalisiert und beschrieben werden. Das Ergebnis ist eine wesentlich höhere optische Auflösung als die klassische Lichtmikroskopie.

PALM hat also den Vorteil, bereits auf der Ebene einzelner Moleküle zu arbeiten, jedoch den Nachteil, dass man deren genaue Positionen nicht kennt und erst ermitteln muss. Bei STED wiederum ist die genaue Lage der Moleküle bekannt, jedoch können keine einzelnen Moleküle angesteuert werden, nur mehrere Moleküle gemeinsam. MINFLUX kombiniert beide Methoden: Zufällige Moleküle werden durch kurze Impulse eines Donut-förmigen Laserstrahls angeregt, gleichzeitig bestimmt man ihre Position durch die Mitte des Donuts. Sie haben sicher schon bemerkt: Irgendwas läuft hier anders als bei STED. Und richtig: Bei MINFLUX wird der ringförmige Strahl zum Leuchten benutzt, nicht zum Abdunkeln. Liegt das Molekül auf dem Donut-Ring, so leuchtet es; liegt es genau in seinem dunklen Zentrum, so leuchtet es nicht, doch man kennt seine genaue Position.

Dr. Francisco Balzarotti, Nachwuchsforscher im Hell-Team, hat einen Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe die Position der Moleküle schnell und präzise bestimmt werden kann. „Mit diesem Algorithmus konnten wir das volle Potenzial des Donut-Laserstrahls ausschöpfen“, erläutert der erste Hauptautor des Science-Artikels, der MINFLUX erstmals vorstellt. Klaus Gwosch, ein Doktorand bei Hell, gelang die Aufnahme der molekular aufgelösten Bilder. „Es war ein unglaubliches Gefühl, als wir zum ersten Mal mit MINFLUX Moleküle auf der Skala von wenigen Nanometern unterscheiden konnten“, beschreibt der junge Physiker die Reaktion des Teams auf die reale Möglichkeit, lebendige Zellen auf molekularer Ebene beobachten zu können.


Stefan Hell mit den drei Erstautoren der MINFLUX-Studie an ihrem Mikroskop (von links): Dr. Francisco Balzarotti, Yvan Eilers und Klaus Gwosch. Foto: Irene Böttcher-Gajewski, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Stefan Hell mit den drei Hauptautoren der MINFLUX-Studie an ihrem Mikroskop (von links): Dr. Francisco Balzarotti, Yvan Eilers und Klaus Gwosch. Foto: Irene Böttcher-Gajewski, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Neben der optischen Auflösung bietet die Kombination von STED und PALM einen weiteren Vorteil: eine deutlich höhere zeitliche Auflösung. Stefan Hell: „MINFLUX ist im Vergleich sehr viel schneller: Da die Technik mit dem Donut-Laserstrahl arbeitet, kommt sie mit wesentlich weniger Lichtsignal, das heißt Fluoreszenz-Photonen, pro Molekül aus als PALM/STORM.“ MINFLUX steh übrigens für „MINimal emission FLUXes”. Dieser Name spielt auf die geringen Lichtmengen an, die hier benötigt werden. Bereits mit STED konnten die Forscher Echtzeit-Videos aus dem Inneren lebender Zellen machen. Doch nun wird es möglich, die Bewegung von Molekülen in einer Zelle mit einer hundertmal besseren zeitlichen Auflösung zu verfolgen.

Yvan Eilers, ebenfalls Doktorand bei Hell, hatte die Aufgabe, mithilfe von MINFLUX Videos aus dem Innern lebender Zellen zu filmen. Er hat es geschafft, die Bewegungen von Ribosomen-Untereinheiten in lebenden E. Coli-Bakterienzellen in bisher unerreichter Zeitauflösung zu filmen. „Die Vergangenheit hat gezeigt, dass bedeutende Verbesserungen im Auflösungsvermögen der Lichtmikroskopie zu neuen biologischen Erkenntnissen geführt haben, wie die Beispiele von STED und PALM belegen“, erläutert Eilers. „Wir sind äußerst zuversichtlich, dass dies auch für MINFLUX der Fall sein wird.“ Die Forscher sind überzeugt, dass sich zukünftig selbst extrem schnelle Abläufe in lebenden Zellen untersuchen lassen, beispielsweise die Faltung von Proteinen.

Ich habe Klaus Gwosch gefragt, ob sich schon viele Forschungsgruppen aus aller Welt in Göttingen gemeldet hätten, um ein MINFLUX-Mikroskop zu erwerben. „Die Veröffentlichung des MINFLUX-Konzepts im Fachjournal Science hat ein sehr breites Publikum erreicht und weltweit großes Interesse geweckt“, lautete seine Antwort. „Momentan sind wir in der Abteilung NanoBiophotonik am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie die einzige Forschungsgruppe mit einem MINFLUX-Mikroskop. Wir sind aber überzeugt davon, dass auch andere Forschungsgruppen das MINFLUX-Konzept aufgreifen und implementieren werden.“ Sein Chef Stefan Herr ergänzt: „Ich bin überzeugt, dass MINFLUX-Mikroskope das Zeug dazu haben, eines der grundlegendsten Werkzeuge der Zellbiologie zu werden. Mit diesem Verfahren wird es in Zukunft möglich sein, Zellen molekular zu kartografieren und schnelle Vorgänge in ihrem Inneren in Echtzeit sichtbar zu machen. Das könnte unser Wissen über die molekularen Abläufe in lebenden Zellen revolutionieren.“

Yvan Eilers und Klaus Gwosch werden beide an der diesjährigen Lindauer Nobelpreisträgertagung als Nachwuchsforscher teilnehmen, Stefan Hell wird ebenfalls nach Lindau reisen. William Moerner, der dritte Chemienobelpreisträger von 2014, wird ebenfalls dort sein und über hochauflösende Mikroskopie sprechen. Wir freuen uns auf eine interessante und inspirierende Woche im Juni 2017!


Mit dem MINFLUX-Mikroskop lassen sich Moleküle optisch trennen, die nur wenige Nanometer voneinander entfernt sind. Links die schematische Darstellung fluoreszierender Moleküle. Während PALM/STORM bei gleicher Molekül-Helligkeit nur ein diffuses Bild liefern kann (rechts), ist die Anordnung der Moleküle mit dem MINFLUX-Mikroskop (Mitte) klar zu erkennen. Abbildung: Klaus Gwosch, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Mit dem MINFLUX-Mikroskop lassen sich Moleküle optisch trennen, die nur wenige Nanometer voneinander entfernt sind. Links die schematische Darstellung fluoreszierender Moleküle. Während PALM/STORM bei gleicher Molekül-Helligkeit nur ein diffuses Bild liefern kann (rechts), ist die Anordnung der Moleküle mit dem MINFLUX-Mikroskop (Mitte) klar zu erkennen. Abbildung: Klaus Gwosch, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

New Super Tool for Cell Biology

Researchers from Stefan Hell’s department at the Max Planck Institute for Biophysical Chemistry in Göttingen have achieved yet another breakthrough in light microscopy: With their new MINFLUX microscope they can separate molecules that are only a few nanometres apart, meaning its resolution is 100 times higher than conventional light microscopy, and about 20 times higher than super-resolution light microscopy.

The 2014 Nobel Prize in Chemistry was dedicated to the breaking of the optical diffraction limit. For more than a century, half the wavelength of light – about 200 nanometres – was considered the absolute limit for light microscopes. When Stefan Hell was studying physics in Heidelberg, this limit was still taught – but Hell couldn’t accept it. By developing stimulated emission depletion (STED) microscopy the following years, he was the first researcher to successfully venture beyond this limit in the 1990s, both theoretically and experimentally. Based on these breakthroughs he received the 2014 Nobel Prize in Chemistry, together with the American physicists Eric Betzig and William E. Moerner, “for the development of super-resolved fluorescence microscopy”.

But how does STED work, and how does it lay the foundations for MINFLUX? Hell explains STED in his own words: “If I cannot resolve two points because they are too close together and they are both emitting fluorescence, I need to darken one of them – and suddenly, you’re able to see the other point. If I make sure that all molecules are dark, except the one or the few that I’m interested in, then I can finally resolve this one, or these few.” The darkening is achieved by optical interference: Since a laser beam is used to excite fluorescence in molecules, it’s also possible to darken some molecules in the probe with a second laser beam whose wave properties cancel out the first beam. This second laser beam is doughnut-shaped, leaving only a small centre spot still emitting fluorescence. Thus STED functions by depleting a circular region of the sample, while leaving a small focal point (see graph below).


How a STED microscope works: with a laser excitation focus (left), a doughnut-shaped de-excitation focus (centre) and remaining fluorescence (right). Credit: Marcel Lauterbach, CC BY-SA 3.0

How a STED microscope works: with a laser excitation focus (left), a doughnut-shaped de-excitation focus (centre) and remaining fluorescence (right). Credit: Marcel Lauterbach, CC BY-SA 3.0

With the MINFLUX microscope, Hell’s research group combined the advantages of STED microscopy with the principles of PALM (photo-activated localization microscopy) developed by Eric Betzig. In PALM, also called PALM/STORM, single molecules are also excited by switching them on and off, but these molecules light up randomly, they’re not targeted. Betzig and his colleagues would use a very short laser pulse, thus exciting only a few molecules which could then be localised. As these molecules bleach out, the researchers turn the laser on again to see the next batch and so forth. Finally, the entire probe has been activated, seen and plotted. The result is a graphic resolution far beyond the diffraction limit.

With this approach, PALM already operates on the single-molecule level but the exact location of each molecules isn’t easily determined. With STED, the location of an excited molecule is well known, but the laser beam isn’t able to confine its emission to a single molecule. MINFLUX, on the other hand, switches individual molecules randomly on and off. Simultaneously, their exact positions are determined with a doughnut-shaped laser beam, something we know from STED. But in contrast to STED, this doughnut beam excites the fluorescence instead of darkening it. So if a molecule is located on the ring, it will glow; if it is exactly at the dark centre, it will not glow – but its exact position will be known.

Dr. Francisco Balzarotti, a researcher in Hell’s department, developed an algorithm to locate this centre position fast and with high precision. “With this algorithm, it was possible to exploit the potential of the doughnut excitation beam,” the first lead author of the Science paper explains. Klaus Gwosch, a PhD student in Hell’s group and third lead author, obtained the molecular-resolution images: “It was an incredible feeling as we, for the first time, were able to distinguish details with MINFLUX on the scale of a few nanometres”, the young physicist describes the team’s reaction to the potential of studying life at the molecular level.


Stefan Hell gemeinsam mit den Erstautoren der Studie Dr. Francisco Balzarotti, Yvan Eilers und Klaus Gwosch am Mikroskop (von links). Foto: Irene Böttcher-Gajewski, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Stefan Hell and the three lead authors of the MINFLUX Science publication, Dr. Francisco Balzarotti, Yvan Eilers and Klaus Gwosch (from left) with their ground-breaking microscope. Photo: Irene Böttcher-Gajewski, Max Planck Institute for Biophysical Chemistry

In addition to the high optical resolution, this new microscope has another advantage over both STED and PALM: high temporal resolution. Stefan Hell: “MINFLUX is much faster in comparison. Since it works with a doughnut laser beam, it requires much lower light signal, i.e. fewer fluorescence photons, per molecule as compared to PALM/STORM for attaining the ultimate resolution.” MINFLUX stands for “MINimal emission FLUXes”, alluding to this reduced light requirement. Already with STED, researchers had been able to record real-time videos from the inside of living cells. But now it is possible to trace the movement of molecules in a cell with a 100 times better temporal resolution.

Yvan Eilers, another PhD student involved and the second lead author of the Science paper, was responsible for ‘filming’ protein actitivity within a living cell. He filmed the movements of ribosome subunits inside a living E. coli bacterium. “The past has shown that major resolution enhancements have led to new insights into the biology of cells, as STED and PALM have demonstrated,” Eilers elaborates. “Now everybody here is optimistic that this will hold true for MINFLUX as well.” The researchers in Hell’s group are convinced that in the future, even extremely fast changes in living cells will be investigated with the help of their new microscope, for instance the folding of proteins.

I asked Klaus Gwosch whether other research groups had already been in touch to acquire a MINFLUX microscope. “The Science publication has of course reached a large international audience,” he replied. “Currently, the department of NanoBiophotonics in Göttingen has the only MINFLUX microscope, but we expect other research groups to adopt and implement our approach.” His boss Stefan Hell agrees: “I am convinced that MINFLUX microscopes have the potential to become one of the most fundamental tools of cell biology. This could revolutionise our knowledge of the molecular processes occurring in living cells.”

Both Yvan Eilers and Klaus Gwosch will participate in the 67th Lindau Nobel Laureate Meeting this summer as young scientists, together with their doctoral adviser Stefan Hell. William Moerner, the third recipient of the 2014 Nobel Prize in Chemistry, will also attend and talk about super-resolution microscopy. We are looking forward to an interesting and inspiring week in Lindau!



MINFLUX microscopy separates molecules optically that are only a few nanometers apart. On the left, a schematic graph of the fluorescent molecules. PALM microscopy (right) only delivers a diffuse image of the molecules, whereas the position of each molecules can easily be discerned with MINFLUX (centre). Image: Klaus Gwosch, Max Planck Institute for Biophysical Chemistry

MINFLUX microscopy optically separates molecules that are only a few nanometers apart. A schematic graph of the target molecules is shown on the left. PALM microscopy (right) only delivers a diffuse image of these molecules, whereas the position of each molecule can easily be discerned with MINFLUX (centre). Image: Klaus Gwosch, Max Planck Institute for Biophysical Chemistry

Roger Tsien über Leuchtfarben, Quallen und Korallen

Roger Tsien gehörte zweifellos zu den kreativsten und produktivsten Forschern der Gegenwart. Er erhielt den Chemienobelpreis 2008 „für die Entdeckung und Entwicklung des grün fluoreszierenden Proteins GFP“, gemeinsam mit Martin Chalfie und Osamu Shimomura. Mit der Hilfe von GFP können Forscher lebene Zellen in Echtzeit bei ihrer ganz normalen Zellaktivität beobachten. Haben sie an einem bestimmten Protein Interesse, das ein Organismus herstellen kann, können sie das GFP-Gen mit jenem Gen verbinden, das genau dieses Protein herstellt. Ab diesem Moment kann der ganze Weg dieses Proteins verfolgt werden, weil es unter blauem oder ultravioletten Licht leuchtet, also fluoresziert.

Die Vorteile gegenüber anderern Markierungsmethoden liegt auf der Hand: GFP ist für den Organismus ungifitig, und auch das Licht, das man braucht um es zu sehen, ist unschädlich, anders als beispielsweise radioaktive Strahlung. GFPs und ähnliche fluoreszierende Marker sind schon in zahlreiche Organismen eingefügt worden, von Hefepilzen über Fische und Insekten bis hin zu Säugetieren und menschlichen Zellkulturen. Ursprünglich stammt das GFP-Gen von der Qualle Aeguorea victoria, daher bedankte sich Tsien in seiner Festrede beim offiziellen Nobelpreisbankett am 10. Dezember 2008 in Stockholm bei diesem Tier: „Meine letzte Danksagung gilt sowohl den Quallen als auch den Korallen: Möget ihr für lange Zeit intakte Habitate haben, in denen ihr ungestört leuchten könnt!“ Weitere Fluoreszensmarker stammen nämlich von Korallen, andere wiederum von speziellen Bakterien.


Ein Gen dieser Maus ist dem GFP-Gen markiert worden. Nun leuchtet sie grün unter ultrabviolettem Licht - und alle ihre Nachkommen! Die Abbildung stammt aus dem 2010er Vortrag von Roger Tsien in Lindau. Foto: Bastian Greshake, CC BY-SA 2.0

Ein Gen dieser Maus ist dem GFP-Gen markiert worden. Nun leuchtet sie grün unter ultrabviolettem Licht – und alle ihre Nachkommen! Die Abbildung stammt aus dem 2010er Vortrag von Roger Tsien in Lindau. Foto: Bastian Greshake, CC BY-SA 2.0


Bereits als Physiologie-Doktorand in Cambridge in Großbritannien entwickelte Roger Tsien seine ersten Farbstoffe, zunächst für die Kennzeichnung der Kalziumaktivität in Zellen. Sicherheitshalber hatte er seinem Doktorvater nichts von seinem neuen Steckenpferd erzählt, weil er befürchten musste, dieser würde ihm einen langen Vortrag darüber halten, wie wichtig es sei, zuerst das eine Projekt abzuschließen bevor man das nächste beginnt. Manche dieser Farbstoffe werden heute noch verwendet, zum Beispiel BAPTA und Fura-2; letzteren entwickelte Tsien als Assistenzprofessor in Berkeley.

Im Jahr 1989 wechselte er dann an die University of California in San Diego, in erster Linie wegen der deutlich besseren Laborausstattung dort. In den folgenden Jahren entwickelte seine Arbeitsgruppe zahlreiche Fluoreszenzfarbstoffe die “in allen Farben des Regenbogens leuchten”, so das Nobelpreiskomitee in Stockholm. Seine Forschungsgruppe fand außerdem Fluoreszenzindikatoren für zahlreiche Ionen wie Kupfer, Magnesium, Eisen, Blei, Kadmium und viele weitere.

Anlässlich der Nobelpreisverleihung 2008 erzählte er der Zeitung San Diego Union-Tribune, dass er schon als Kind von Farben fasziniert war. „Wäre ich farbenblind auf die Welt gekommen, hätte ich mir bestimmt ein anderes Thema gesucht.“ Schon als Schulkind führte er im Keller seiner Eltern in Livingston, New Jersey zahlreiche chemische Experimente durch, so schreibt er in seinem autobiografischen Essay für die Website Nobelprize.org, und auch damals motivierte ihn „eine frühe und langanhaltende Begeisterung für schöne Farben“. Am Anfang dieses Essays steht ein Witz: „Was haben Grundschüler und Nobelpreisträger gemeinsam? Beide müssen auf Knopfdruck autobiografische Aufsätze schreiben.“


Roger Tsien giving his 2014 lecture at the 64. Lindau Nobel Laureate Meeting. Photo: Rolf Schultes/Lindau Nobel Laureate Meetings

Roger Tsien giving his 2014 lecture at the 64. Lindau Nobel Laureate Meeting. Photo: Rolf Schultes/Lindau Nobel Laureate Meetings

Roger Tsiens Vater war ein Luftfahrtingenieur, der in den USA keine passende Anstellung finden konnte, trotz eines Abschluss von der amerikanischen Eliteuniversität MIT, weil er als Chinese keine Sicherheitsfreigabe bekam. Nach verschiedenen Jobs fand er schließlich eine Anstellung in der Abteilung für Vakuumröhren der Firma RCA, kurz für Radio Corporation of America, in New Jersey. Nun wollten die Eltern ein Haus in der Nähe kaufen, Roger war zu dieser Zeit sieben Jahre alt. Doch der Bauunternehmer wollte ihnen das Haus ihrer Wahl nicht verkaufen mit dem Argument, dann würden die anderen Häuser unverkäuflich, weil niemand neben Chinesen wohnen wollte. Daraufhin schrieb das Ehepaar Tsien einen Brief an den Gouverneur von New Jersey, der wiederum dem Bauunternehmer schriftlich mitteilte, dass Diskriminierung aufgrund der Herkunft in den USA illegal sei. So kam die Familie Tsien schließlich zu ihrem Haus.

Und nur neun Jahre später machte derselbe Bauunternehmer mit einem Foto von Roger Tsien Werbung für seine Häuser! Anlass war der erste Preis eines landesweiten Forschungswettbewerbs, den der sechzehnjährige Roger gewonnen hatte. Der Bauunternehmer wollte mit seinem Foto für die guten öffentlichen Schulen werben, dabei hatte sich Roger die anorganische Chemie anhand von Lehrbüchern überwiegend selbst beigebracht. Für den Westinghouse-Talentwettbewerb hatte er die Ergebnisse eines kleinen Projekts zusammengefasst, das er im Rahmen eines NSF-Nachwuchsprogramms an der Ohio University durchführen durfte. Er hatte dort die Aufgabe zu erforschen, wie sich verschiedene Metalle an Thiocyanate binden. „Weil ich nichts anderes vorzuweisen hatte, versuchte ich, aus dem Chaos unklarer Daten irgendwelche Schlüsse zu ziehen,“ schrieb er bescheiden im Nachhinein. Zu seiner großen Überraschung gewann er damit den ersten Preis.


Kunst aus der Petrischale: Mit verschiedenen fluoreszierenden Bakterien hat Nathan Shaner im Jahr 2006 im Labor von Roger Tsien in San Diego eine Strandszene in eine Petrischale 'gemalt'. Verwendet werden Farbstoffe, die auf dem GFP-Gen basieren, sowie Korallenfarbstoffe. Photo: Paul Steinbach, Credit: Nathan Shaner, CC BY-SA 3.0

Kunst aus der Petrischale: Mit verschiedenen fluoreszierenden Bakterien hat Nathan Shaner im Jahr 2006 im Labor von Roger Tsien eine Strandszene in eine Petrischale ‘gemalt’; das Labor befindet sich in San Diego, daher das Motiv. Verwendet wurden Farbstoffe, die auf dem GFP-Gen basieren, sowie Korallenfarbstoffe. Photo: Paul Steinbach, Credit: Nathan Shaner, CC BY-SA 3.0

Im selben Jahr, mit gerade mal 16 Jahren, begann Roger Tsien mit Hilfe eines Stipendiums in Harvard zu studieren. Mit einem Bachelor of Science in Chemie und Physik schloss er dieses Studium ab und ging nach England, um dort im Fach Physiologie zu promovieren. Er interessierte sich für die Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie und wollte sich nicht auf ein Fach festlegen. Danach entfaltete sich seine unglaublich produktive Forscherkarriere. Roger Tsien nahm an fünf Lindauer Nobelpreisträgertreffen teil, und seine fünf Vorträge dort spiegeln sein breites Interesse an verschiedenen Forschungsthemen wider. In seinem 2015er Vortrag beispielsweise sprach er über zwei ganz unterschiedliche Themen: Krebsforschung und Langzeitgedächtnis. Auch wenn beide Themen scheinbar nichts mit einander zu tun haben, so handeln doch beide auf molekularer Ebene von Proteasen, also von Enzymen, die andere Proteine spalten können. Tsien selbst erklärt, dass seine Motivation, sich mit Krebsforschung zu beschäftigen durch den Krebstod seines Vaters ausgelöst wurde. Gemeinsam mit dem Arzt Quyen T. Nguyen entwickelte er eine fluoreszensgestützten Operationstechnik, bei der nicht nur alle Tumorzellen eingefärbt werden, damit der Chirurg sie möglichst vollständig entfernen kann, sondern auch alle wichtigen Strukturen wie Nerven, die nicht verletzt werden dürfen, gefärbt werden.

Das zweite Thema seines Vortrags war die Speicherung von Langzeiterinnerungen im sogenannten Perineuronalen Netz, kurz PNN, das als Matrix zwischen den Zellen für die Stabilität des erwachsenen menschlichen Gehirns sorgt. Nachdem Tsien sich sein ganzes Forscherleben hindurch mit Vorgängen innerhalb von Zellen befasst hat, „musste ich mich jetzt plötzlich mit der extrazellulärer Matrix beschäftigen“, ergänzte er in seinem Vortrag. Löcher in der PNN sind die eigentlichen Speichermedien, „wie in einer 3D Lochkarte“ – erst da wurde ihm klar, dass die meisten Nachwuchsforscher im Raum noch nie eine Lochkarte benutzt hatten. Im Mausmodell gelang ihm, ungefähr die Hälfte aller Langzeiterinnerungen durch die Gabe einer bestimmten Matrix-Metalloprotease (MMP) zu löschen. Er geht davon aus, dass ein deutlich größerer Anteil gelöscht werden kann, wenn die weiteren beteiligten Proteasen bekannt sind. Klingt ein bisschen nach dem ‘Neuralyzer’ aus dem Film Men in Black, oder?

Am 24. August 2016 starb Roger Tsien völlig unerwartet auf einem Radwanderweg in Eugene, Oregon im Alter von nur 64 Jahren. An diesem Tag verlor die Welt einen genialen Forscher sowie eine faszinierende Persönlichkeit mit einem großartigen Sinn für Humor.


Roger Tsien (1952 - 2016) während der traditionellen Bootsfahrt zur Insel Mainau am letzten Tag des Lindauer Nobelpreisträgertreffens 2009. Foto: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Roger Tsien (1952 – 2016) mit Nachwuchsforschern während der traditionellen Bootsfahrt zur Insel Mainau am letzten Tag des Lindauer Nobelpreisträgertreffens 2009. Foto: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

College oder Online-Kurs?

Die Universitätsausbildung in den USA und Großbritannien gilt als die beste der Welt, laut gängigen Rankings. Doch gleichzeitig ist sie für viele Studenten unerschwinglich geworden, in dreißig Jahren stiegen die Studiengebühren in den USA um unglaubliche 600 Prozent, wie der Bildungsexperte Ryan Craig in seinem lesenswerten Buch ‘College Disrupted – The Great Unbundling of Higher Education’ beschreibt, was so viel bedeutet wie die gründliche Entflechtung des Bildungswesens. Und warum sollte man sich auch vier Jahre lang durch ein anstrengendes, regelrecht zermürbendes Studium quälen und dafür hoch verschulden, wenn die meisten ohnehin akzeptiert haben, dass sie ihr Leben lang weiterlernen müssen? Darüber hinaus ist ein US-Uniabschluss keine Garantie für einen gutbezahlten Job. Deshalb hinterfragen immer mehr Studenten, ob sich dieser Aufwand überhaupt lohnt – und suchen nach Alternativen.

Ende 2011 entschloss sich der deutschstämmige Stanford-Professor Sebastian Thrun seinen Einführungskurs Künstliche Intelligenz zusätzlich als Online-Kurs anzubieten, aber kostenlos und ohne Zulassungsbeschränkungen. Dieses Format wird auch MOOC genannt, das bedeutet ‘Massive Open Online Course’. Das Ergebnis: Erstaunliche 160.000 Studenten meldeten sich an, 23.000 nahmen am Schlussexamen teil – mehr als die Gesamtzahl aller eingeschriebener Studenten in Stanford! Nach diesem Überraschungserfolg verließ Thrun Stanford um die private Bildungsfirma Udacity zu gründen, die Online-Kurse in Mathematik und IT anbietet. Thrun ist auch der Gründer von GoogleX, heute nur noch ‘X’, wo er an der Entwicklung eines selbstfahrenden Autos mitwirkt, und er hat Google-Street-View mitentwickelt.


Das College mag Spaß machen, aber es wird immer teuerer. Ein Beispiel: Im Jahr 1970 reichten 182 Stunden Arbeit zum Mindestlohn, um die Studiengebühren eines durchschnittlichen Colleges zu bezahlen. Im Jahr 2013 waren hierfür 991 Arbeitsstunden nötig. Quelle: Ryan Craig, College Disrupted. Photo: iStock.com/SolStock

Das US-College mag Spaß machen – aber es wird immer teuerer. Ein Beispiel: Im Jahr 1970 reichten 182 Stunden Arbeit zum Mindestlohn, um die Studiengebühren eines durchschnittlichen Colleges zu bezahlen. Im Jahr 2013 waren hierfür 991 Arbeitsstunden nötig, das ist mehr als ein halbes Jahr Vollzeitarbeit. Quelle: Ryan Craig, College Disrupted. Photo: iStock.com/SolStock


Im Jahr darauf wurden MOOCs zu den Vorboten einer Bildungs-Revolution erklärt. Plötzlich erstellte jede US-Uni ihre eigenen MOOCs, und zahlreiche neue Kooperationen mit privaten Anbietern schossen aus dem Boden. Ein vielbeachtetes Beispiel ist die Zusammenarbeit zwischen Udacity und der San Jose State University SJSU: Seit Anfang 2013 boten sie gemeinsam reine Online-Kurse an, die am Ende zu SJSU-Scheinen führen sollten. Doch schon sechs Monate später wurde das Programm eingestellt als sich herausstellte, dass die Durchfallquote zu hoch war. So erging es vielen Kooperationen und die anfängliche Euphorie wich einer verbreiteten Katerstimmung. Insgesamt gilt die Abbrecherquote bei MOOCs als extrem hoch, nur ungefähr fünf Prozent der Teilnehmer halten bis zum Schluss durch.

Diese ganze Aufregung hat jedoch bei einigen Universitäten zu einer gewissen Verunsicherung geführt, verstärkt durch die Gründung weiterer Firmen die ähnlich arbeiten wie Udacity, zum Beispiel Straighterline, edX oder die Kahn Academy, um nur ein paar zu nennen. Physiknobelpreisträger Brian Schmidt erklärte auf der Abschluss-Podiumsdiskussion der 66. Lindauer Nobelpreiträgertagung im Jahr 2016: „Die Universitäten haben zurzeit noch ein Monopol auf das Erteilen von Abschlüssen. Noch ist dieses Monopol nicht gefährdet, aber das ist nur eine Frage der Zeit.“ Und er fuhr fort: „Ich halte es für eine realistische Möglichkeit, dass in Zukunft die Absolventen ihre Qualifikationen in einer Art Blockchain speichern können.“ Das ist eine sichere Datenbank, in denen potentielle Arbeitgeber diese Qualifikationen in ausführlichen Lebensläufen studieren können. „Und dies wiederum wird eine Menge nicht-universitärer Anbieter auf den Markt bringen.“


Physiknobelpreisträger Brian Schmidt auf dem Schiff zur Insel Mainau, wo die Abschluss-Podiumsdiskussion des 66. Lindauer Nobelpreisträgertreffens stattfand. Als Vizekanzler der Australian National University setzt er sich stark für eine verbesserte Lehre ein. Foto: Christian Flemming/LNLM

Physiknobelpreisträger Brian Schmidt auf dem Schiff zur Insel Mainau, wo die Abschluss-Podiumsdiskussion des 66. Lindauer Nobelpreisträgertreffens stattfand. Als Vizekanzler der Australian National University liegt ihm eine verbesserte Universitätsausbildung sehr am Herzen. Foto: Christian Flemming/LNLM


Als Vizekanlzer der Australian National University hat Schmidt die dortige Erstellung von MOOCs aktiv gefördert – und als Konsequenz das ganze Lehrprogramm für Physik umgestellt. Für ihn sind diese Videos eine interessante Lehrmethode, „aber sie sind kein Allheilmittel“. Die entscheidende Wende wird erst kommen, wenn große Arbeitgeber anfangen, die Absolventen von kurzen, zielgerichteten Kursen in großem Umfang einzustellen. Udacity zum Beispiel entwickelt Online-Kurse in enger Zusammenarbeit mit Arbeitgebern, in diesem Fall AT&T, und nennt die Abschlüsse ‘Nanodegrees’. Es werden auch sogenannte ‘boot camps’ angeboten, in denen man innerhalb weniger Wochen bestimmte IT-Fähigkeiten lernen kann. Schmidt meinte zu diesen neuen Angeboten auf der Podiumsdiskussion: „Wenn sie auf diesem Weg Absolventen bekommen, die besser für die Aufgaben in ihren Unternehmen gerüstet sind, werden die Arbeitgeber gerne auf solche Programme zurückgreifen. Schon heute sagt die Firma Google: ‘Uns ist ihr Abschluss eigentlich egal, wir führen jetzt zuerst unser eigenen Testprogramm durch.’“ Der nächste logische Schritt wäre, die Lehre von Anfang an außerhalb der Unis und Colleges anzubieten.

Die Aussage von Google zeigt: Nicht nur Studenten sind mit dem derzeitigen System unzufrieden, auch viele Arbeitgeber sind mit den Absolventen traditioneller Unis häufig frustriert. Für Führungspositionen fehlt den Absolventen häufig die nötige Problemlösungskompetenz, ihnen fehlt die Fähigkeit zum kritischen Denken, auch ihre Kommunikationsfähigkeit lässt zu wünschen übrig, so beschreibt es Ryan Craig in seinem Buch. Für weniger qualifizierte Positionen fehlen vielen Bewerbern ganz grundlegende Verhaltensweisen wie Pünktlichkeit, Motivation und Arbeitsethos. Damit wird klar, dass die Studenten nicht die einzigen ‘Käufer’ oder ‘Kosumenten’ von höherer Bildung sind. Craig argumentiert, dass die Arbeitgeber die eigentliche Zielgruppe sein müssten, weil von ihnen erwartet wird die Absolventen einzustellen. Und wenn das nicht funktioniert, dann können die betroffenen Studenten ihre Studienkredite nicht zurückzahlen. Das wiederum hat zur Folge, dass die traditionelle Universitätsausbildung unattraktiver wird.


Ryan Craig, Autor des Buches ‘College Disrupted – The Great Unbundling of Higher Education’. Er ist jetzt Direktor von University Ventures, eine Investmentfirma, die ausschließlich in höhere Bildung investiert und in diesem Sektor neue Lösungen sucht. Photo: Yahlin Chang

Ryan Craig, Autor des Buches ‘College Disrupted – The Great Unbundling of Higher Education’. Er ist Direktor von University Ventures, eine Investmentfirma, die ausschließlich in höhere Bildung investiert und in diesem Sektor neue Lösungen sucht. Photo: Yahlin Chang

Weil private Anbieter noch keine echten Abschlüsse erteilen dürfen, behelfen sie sich mit detaillierten Auflistungen der Themen eines Kurses und der Fertigkeiten, die dort geübt wurden. Einige Unis greifen dieses Vorgehen bereits auf, zum Beispiel das Linn State Technical College mitten im US-Bundesstaat Missouri: Statt der normalen Zeugnisse, die nur den Namen des Kurses und die Note auflisten, werden hier detaillierte Bewertungen ausgestellt, denen ein künftiger Arbeitgeber entnehmen kann, wie stark sich ein Bewerber in Bezug auf bestimmte Fähigkeiten verbessert hat, die für den Arbeitsmarkt relevant sein könnten. Diese Zeugnisse werden ‘Doppelklick-Abschlüsse’ genannt, weil ein interessierter Arbeitgeber in den digitalen Bewerbungsunterlagen nur auf den Kurs doppelklicken muss und schon sieht er die Ergebnisse des Bewerbers bei allen Fähigkeiten, die für einen bestimmten Job wichtig sind. Für den Autor Craig sind solche Abschlüsse „nur eine Zwischenstation auf dem Weg zur Entflechtung der höheren Bildung“: Wenn Arbeitgeber mit Absolventen zufrieden sind, die nur Zertifikate anstatt echter Abschlüsse vorweisen können, werden sie mehr davon einstellen. Und wenn Studenten diese detaillierten Zeugnisse wünschen, kommen die Unis nicht umhin, diese auch auszustellen. Dadurch verschwimmt jedoch die Grenze zwischen den verschiedenen Anbietern zunehmend.

Sowohl für Arbeitgeber als auch für Studenten sieht Ryan Craig einen Ausweg aus dem Ausbildungsdilemma, das darin besteht, dass die Studenten immer höhere Summen investieren müssen und die Arbeitgeber trotzdem unzufrieden sind: einen Arbeitsmarkt der Kompetenzen, nicht der Abschlüsse. Wenn Absolventen eine immer detailliertere digitale Auflistung ihrer berufsbezogenen Fertigkeiten vorweisen, dann können diese Angaben viel besser mit den ebenfalls digitalisierten Stellenausschreibungen verknüpft werden. Craig nennt das Ergebnis „eine Dating-Website für Jobs“. Die Netzwerk-Website LinkedIn gehe bereits in diese Richtung, aber Craig kann sich darüber hinaus alle möglichen spezialisierten Websites für berufliche Fertigkeiten und Kompetenzen vorstellen.

Schließlich geht Ryan Craig davon aus, dass sich ein Zweiklassensystem der höheren Bildung in den USA herauskristallisieren wird: Die Top-Universitäten werden weitermachen wie bisher, wahrscheinlich werden sie ihr Angebot um Online-Vorlesungen und ausführlichere Zeugnisse erweitern. Alle anderen Colleges und Unis werden sich darauf konzentrieren, Fertigkeiten zu unterrichten, die auf dem Arbeitsmarkt wirklich gebraucht werden. Sie werden diese Programme zusammen mit künftigen Arbeitgebern und mit Firmen wie Udacity entwickeln, und dazu werden auch kurze, preiswerte Online-Kurse gehören. Auf diesem Umweg wird es diesen Ausbildungsfirmen doch noch gelingen, zu einem ‘echten’ Abschluss beizutragen, der wiederum von einer teilnehmenden Uni verliehen wird. Schon heute wird in den USA über ‘stapelbare Abschlüsse’ diskutiert, bei denen sich Studenten ihren Abschluss aus diversen Kursen bei verschiedenen Anbietern selbst zusammenstellen können.

Es ist kein Zufall, dass diese Trends ausgerechnet im IT-Sektor entstanden, wo schnelle Veränderungen die Norm sind. In anderen Fächern werden traditionelle Abschlüsse wohl länger wichtig bleiben. Doch haben sogenannte ‘disruptive Erfindungen’ die Eigenart, benachbarte Fächer zu infizieren. Deshalb ist es nicht ausgeschlossen, dass es ähnliche Trends bald auch in den Wirtschafts-, Sozial- oder Geisteswissenschaften geben könnte.
In diesem Artikel ging es hauptsächlich um die Entwicklung in den USA, Entwicklungen dort beeinflussen jedoch meist die ganze Welt, insbesondere wenn es um höhere Bildung geht. Und Großbritannien wiederum hat bereits seine eigene Studiengebühren-Krise. Neue Trends dieser Art entstehen heute an vielen Orten, ein Beispiel wäre die Kiron-University in Berlin, die sich zur Aufgabe gemacht hat, höhere Bildung für Flüchtlinge in aller Welt kostenlos und auf Englisch anzubieten. Die engagierten Kiron-Gründer haben bereits erste Partner-Unis gefunden, die bereit sind, ihre Scheine anzuerkennen.

In seinem Buch argumentiert Ryan Craig, dass die höhere Bildung in den USA wie ein Bündel oder Paket ist, zu dem nicht nur Bildung gehört, sondern auch die Verpflegung der Studenten, ihre Unterkunft, teuere Sportanlangen, medizinische Versorgung, usw. Und in der aktuellen Entwicklung wird dieses Bündel entflochten, wie die gute alte CD, deren Verkäufe in den Keller gingen als sich die Verbraucher einzelne Lieder herunterladen konnten und nicht mehr gezwungen waren, das ganze ‘Bündel’ zu kaufen. Wie Brian Schmidt auf der Podiumsdiskussion in Lindau sagte: „Hier passiert zur Zeit eine Menge, die Dinge verändern sich rasend schnell. Und ich befasse mich damit, weil ich nicht möchte, dass meine Universität bei diesem Thema abgehängt wird.“


Bereits über drei Millionen Studenten sind in den USA in Online-Programme der traditionellen Universitäten und Colleges eingeschrieben, neue Anbieter nicht mitgezählt. Alleine zuhause lernen macht vielleicht weniger Spaß, ist aber in Zeiten des lebenslangen Lernens oft unvermeidbar. Foto: iStock.com/demaerre

Bereits über drei Millionen Studenten sind in den USA in Online-Programme der traditionellen Universitäten und Colleges eingeschrieben, neue Anbieter nicht mitgezählt. Alleine zuhause lernen macht vielleicht weniger Spaß, ist aber in Zeiten des lebenslangen Lernens oft unvermeidbar. Foto: iStock.com/demaerre

Traditional Higher Education Under Threat?

Higher education in the US and UK is considered the best in the world, but at the same time, for many students it’s getting to be unaffordable: tuition in the US has risen by an astounding 600 percent in thirty years, as Ryan Craig describes in his insightful book ‘College Disrupted – The Great Unbundling of Higher Education’. And why should anyone spend four years with gruelling, back-breaking studying when technology is changing so fast that most of us have accepted lifelong learning anyhow? As long as ‘everybody’ was going to college – a priviliged middle and upper class group – and as long as it was still affordable, it was the thing to do. But it isn’t anymore, and a degree is no guarantee for a well-paying job either. So now students are starting to ask questions about the return on their investment – and are looking for alternatives.

Late in the year 2011, Sebastian Thrun, a professor for computer science at Stanford University, offered his introductory course to artificial intelligence as a so-called Massive Open Online Course, or MOOC. An unprecedented number of 160,000 students registered for this course, of which 23,000 took part in the final exam – more than the total number of students enrolled at Stanford. After this overnight success, Thrun left Stanford to found Udacity, a private educational organization offering online-courses mostly in math and computer science. Thrun is also the founder of GoogleX, now only called ‘X’, where he’s involved with the development of driverless cars, and he’s is a co-founder of Google Street View.


Photo: iStock.com/SolStock

College might still be fun, but it’s become at lot more expensive than it used to be. In 1970, an average college student needed to work only 182 hours to pay for his or her entire tuition. In 2013, a student at the same college had to work 991 hours in order to afford it, that’s more than a half-year of fulltime employment. Source: Ryan Craig, College Disrupted. Photo: iStock.com/SolStock


In the following years, MOOCs were hailed to be the hallmark of an Education Revolution, the New York Times even proclaimed 2012 to be ‘The Year of the MOOC’. Suddenly numerous universities produced MOOCs, and new partnerships with private education providers sprung up. One notable example was the cooperation between Thrun’s Udacity and San Jose State University SJSU in early 2013, offering online courses that led to SJSU credits. However, the initial excitement was soon replaced by a hangover. Only six months after it started, the programme was terminated due to high failure rates. In general, drop-out rates for MOOC programmes are huge: only about 5 percent of initial viewers complete a MOOC course.

But this episode, together with the advent of companies similar to Udacity, like edX, StraighterLine or the Khan Academy, still disturbed the equilibrium of traditional colleges and universities. As Nobel Laureate Brian Schmidt explained at the closing panel discussion of the 2016 Lindau Nobel Laureate Meeting: “We as universities have a monopoly right now on credentialling, or providing degrees. That’s actually not yet under threat, but it’s going to be.” He continued: “I see the whole idea of people going out there and having all of their credentials in some public thing like a blockchain as being a real opportunity.” A blockchain is a secure database where graduates can place their online portfolio and where prospective employers can study them online. “And that’s suddenly going to bring a bunch of non-university providers into the market.”


Nobel Laureate Brian Schmidt (left) with young scientists of the Lindau Nobel Laureate Meeting 2016, on the boat to Mainau island where the final panel discussion took place. As vice-chancellor of Australian National University, Schmidt is very committed to improve teaching in higher education. Photo: Christian Flemming/LNLM

Nobel Laureate Brian Schmidt (left) with young scientists of the Lindau Nobel Laureate Meeting 2016, on the boat to Mainau island where the final panel discussion took place. As vice-chancellor of Australian National University, Schmidt is very committed to improving teaching in higher education. Photo: Christian Flemming/LNLM


As vice-chancellor of Australian National University, Brian Schmidt has actively promoted MOOCs, and this endeavour has changed ANU’s entire undergraduate physics curriculum. He values MOOCs and an interesting teaching tool, but “it’s no panacea”. The real game-changer will be when large employers are willing to recruit relevant numbers of graduates from short, non-degree programmes. Udacity for instance has developed ‘Nanodegrees’ tailored to the needs of certain employers like AT&T; some providers call their credentials ‘badges’. Another invention are ‘coding boot camps’ that teach specific IT skills within weeks. As Brian Schmidt said in the panel discussion: “The sophisticated business community is going to use that, if it gives them better graduates. Already you can see Google and companies saying: ‘Actually I don’t really care about your degree, I want to do my own testing.'” And the next step is teaching and learnig outside a college setting.

The Google example shows that not only students are disillusioned with traditional higher education – many employers are dissatisfied with the graduates from traditional colleges. For higher level positions, the applicants often don’t have the necessary problem solving capabilities, the critical thinking abilities and communications skills, as Craig explains in his book. And for lower level positions, many applicants lack behavioural skills like punctuality, motivation and work ethic. This shows that students are not the only ‘purchasers’ of higher education. Craig argues that future employers are the real ‘customers’ because they are supposed to hire graduates, and if the graduate cannot find a decent job, he or she cannot pay back the student loans, in turn making traditional higher education less and less attractive.

Since most non-university providers cannot offer degrees, yet, instead they provide detailed accounts of what their students learned in each course. Already some universities adopt these features, like Linn State Technical College: in addition to normal college transcripts that list courses and grades, they give detailed job-readiness scores for each course telling prospective employers how well a student has done in every skill dimension. These detailed accounts are called ‘double-click degrees’ because interested employers can double-click on an applicant’s course and view all results. Ryan Craig calls these degrees “a way station on the road to unbundling”: If employers are satisfied with applicants that only have certificates instead of degrees, the more they’ll hire. And if students demand detailed accounts, universities need to provide them, alongside their traditional degrees, thus blurring the line between traditional and non-accredited education even further.


Ryan Craig, author of the book ‘College Disrupted – The Great Unbundling of Higher Education’, now founding director of University Ventures, an investment firm focused exclusively on the global higher education sector. Photo: Yahlin Chang

Ryan Craig, author of the book ‘College Disrupted – The Great Unbundling of Higher Education’, now managing director of University Ventures, an investment firm focused exclusively on the global higher education sector. Photo: Yahlin Chang

For employers and applicants alike, Craig sees competency marketplaces as a way out of the education dilemma, i.e. students investing large sums and employers still being dissatisfied. If students can provide more detailed accounts of their behavioural and job-related skills, these can be matched much more efficiently to job descriptions. Craig compares this trend to “dating websites for jobs”. The networking service LinkedIn is already moving in this direction, and there might be several different and specialised competency marketplaces in the future.

Eventually, Craig sees the evolution of a two-tier system: Top-ranking universities will continue as they have before, with some new features like more detailed degrees and a mix of classroom and online learning. But all others will try to teach the skills that are needed in today’s labour market in order to give students a better return on their investment, including low-cost online courses. To establish these programmes, some colleges and universities will cooperate with companies like Udacity, meaning that these companies can eventually contribute to ‘real’ degrees. Already there is an emerging trend for ‘stackable credentials’, where students can build a degree out of a series of courses they completed with different providers.

It’s no surprise that these new trends emerged in the field of computer science, where rapid changes are the norm. In other sectors, accredited degrees will remain more important for some time. But disruptive innovations have the tendency to influence other sectors, so these trends might emerge in fields like the humanities as well.
In this article, I’ve mainly discussed US higher education, but trends there tend to influence higher education around the globe – and the UK, for instance, has its own tuition crisis. Plus, novel trends in higher education are emerging everywhere, like the Kiron University based in Berlin that aims to provide higher education in English to refugees around the world, and Kiron has already found some partner universities that are willing to accept its credits.

As Ryan Craig argues in his book: the traditional higher education is like a big ‘bundle’, including housing, catering, sports facilities, healthcare etc. But this expensive bundle will come apart, just like the good old CD did when people started downloading single songs instead of buying the whole CD. As Brian Schmidt concluded in the panel discussion The Future of Education in Sciences: “There’s a lot going on there – and changing very rapidly. And I’m playing around with lots of things because I don’t want to be left behind.”


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Already over 3 million students are enrolled in online degree programmes at traditional universities in the US today, not counting online courses from alternative providers. Studying at home might be less fun, but in the age of lifelong learning it’s of growing importance. Photo: iStock.com/demaerre

Zum Tode von Roman Herzog (1934 – 2017)

Die Mitglieder des Kuratoriums und der Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertagungen trauern um Bundespräsident a.D. Prof. Dr. Roman Herzog.

Roman Herzog besuchte als erster Bundespräsident 1995 die Lindauer Nobelpreisträgertagung. „Seitdem wissen wir ihn als ebenso treuen wie kritischen Begleiter an unserer Seite, der uns anspornt, die Weiterentwicklung der Tagung mutig und zielgerichtet anzugehen“, erklärte Bettina Gräfin Bernadotte, Präsidentin des Kuratoriums der Tagungen, anlässlich der Verleihung der Lennart-Bernadotte-Medaille an Herzog 2010 auf Burg Jagsthausen, wo er mit seiner Ehefrau Alexandra Freifrau von Berlichingen lebte.


Roman Herzog mit Freifrau

Roman Herzog mit Alexandra Freifrau von Berlichingen 2001 bei der 51. Lindauer Nobelpreisträgertagung. Foto: Archiv Jacobs/Lindau Nobel Laureate Meetings

Herzog kannte und schätzte die Nobelpreisträgertagungen bereits aus seiner Zeit als baden-württembergischer Kultusminister Ende der 1970er Jahre und fühlte sich Lennart Graf Bernadotte und seinem Lebenswerk verbunden. Nach dem Ende seiner Präsidentschaft 1999 engagierte er sich verstärkt für die Tagung, die jeden Sommer zahlreiche Nobelpreisträger und hunderte Nachwuchswissenschaftler zu einem inspirierenden Gedankenaustausch an den Bodensee einlädt. Doch Ende der 1990er Jahre bestand Reformbedarf: Die Tagungen brauchten einen festeren finanziellen Boden, und sie sollten im In- und Ausland bekannter und zu einem Leuchtturm für Wissenschaftsförderung in Europa werden.

„Die von ihm mitangeregte Einrichtung der Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertagungen war eine entscheidende Wegmarke, um dem Lindauer Dialog eine langfristige und nachhaltige Perspektive zu geben“, so Bettina Gräfin Bernadotte weiter. Er entwickelte einerseits Ideen und Pläne, um die Lindauer Tagungen fit für die Zukunft zu machen, und er stellte andererseits den Beteiligten Persönlichkeiten vor, die als neue Akteure die Entwicklung der Tagung in den folgenden Jahren maßgeblich prägen sollten, insbesondere Professor Wolfgang Schürer und Thomas Ellerbeck. Ellerbeck war 1999 Leiter des persönlichen Büros von Herzog und übernahm als Mitglied des Kuratoriums und später Mitgründer und Vorstand der Stiftung unter anderem die Aufgabe, die Bekanntheit der Tagungen zu steigern. Professor Schürer begleitete die Lindauer Tagungen von 2000-2015 als Vorsitzender des Vorstands der Stiftung. Nach Gründung der Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertagungen Ende 2000 wurde Roman Herzog selbst deren Ehrenpräsident und Mitglied im Ehrensenat. „Seine Art, Themen anzupacken und sich einzubringen, für die Nobelpreisträgertagungen in Lindau wie auch als Bundespräsident, hat mich nachhaltig beeindruckt, und die Treffen mit diesem humorvollen, bescheidenen und klugen Menschen waren für mich immer sehr inspirierend“, blickt Bettina Gräfin Bernadotte heute auf ihre Begegnungen mit Roman Herzog zurück.


Roman Herzog (rechts) mit Nobelpreisträger Zhores Alferos 2001 in Lindau. Foto: Peter Badge

Roman Herzog (rechts) mit Nobelpreisträger Zhores Alferov 2001 in Lindau. Foto: Peter Badge/Lindau Nobel Laureate Meetings

Wenn heute von Roman Herzog gesprochen oder geschrieben wird, erinnern alle gerne an seine berühmte Ruck-Rede aus dem Jahr 1997, in der Herzog die Deutschen aufforderte, weniger bequem zu sein und von einigen liebgewordenen Besitzständen Abschied zu nehmen: „Ich rufe auf zu mehr Flexibilität! In der Wissensgesellschaft des 21. Jahrhunderts werden wir alle lebenslang lernen, neue Techniken und Fertigkeiten erwerben und uns an den Gedanken gewöhnen müssen, später einmal in zwei, drei oder sogar vier verschiedenen Berufen zu arbeiten.“ Heute kommt uns dieses Thema zwar wichtig vor, aber viele Menschen haben sich daran gewöhnt, dass sie sich immer wieder neu orientieren müssen. Doch vor zwanzig Jahren klangen diese Sätze geradezu revolutionär, wurden öffentlich diskutiert – und werden heute noch regelmäßig zitiert. Herzog war es auch, der bereits Mitte der 1990er Jahre für einen ernsthaften Dialog der Kulturen zwischen Westen und Islam warb. Auch hier leisten die Lindauer Tagungen bis heute einen wichtigen Beitrag, wenn Nachwuchswissenschaftler verschiedenster Nationen, Kulturen und Religionen zusammentreffen.

Roman Herzog lagen die Wissenschaft, die technische und wirtschaftliche Innovation sowie die Bildung der Jugend sehr am Herzen. Als Bundespräsident a.D. und ehemaliger Präsident des Bundesverfassungsgerichts nahm er zahlreiche Aufgaben im In- und Ausland wahr und brachte sich immer wieder aktiv für die Lindauer Nobelpreisträgertagungen ein. “Die Nobelpreisträger, die Gremien der Lindauer Tagungen und die Familie Bernadotte sind ihm dankbar”, erklärte Bettina Gräfin Bernadotte.

Roman Herzog verstarb am 10. Januar 2017. Das Mitgefühl in dieser schweren Zeit der Trauer und des Abschieds gilt seiner Frau und den Angehörigen.

Exploring the Connections Between Sports and Science with Kurt Wüthrich

When reading the biography of Nobel Laureate Kurt Wüthrich, it quickly becomes clear that he embodies the concept of a Renaissance man. Not only did he excel in academic work, winning the 2002 Nobel Prize in Chemistry for his advancement of nuclear magnetic resonance spectroscopy, but Wüthrich was also an avid sportsman.

As a young man attending the University of Basel, he worked towards degrees in both chemistry and sports — the latter requiring about 25 hours per week of intense physical exercise, as well as courses in human anatomy and physiology. Even though he chose science in the end, sports continued to play an important role in Wüthrich’s life. He enjoyed skiing, fishing, and even played in a competitive soccer league well beyond the age of 50.

Kurt Wüthrich speaking at #LiNo16

Kurt Wüthrich speaking at #LiNo16. Photo: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Given his interdisciplinary background, it came as no surprise that much of his master class at the 66th Lindau Nobel Laureate Meeting focused on the science of sports. In fact, two young scientists who gave talks at the master class — Dominique Gisin and Bettina Heim — have been blessed with a similar combination of both mental and physical talents as Wüthrich himself.

Dominique Gisin, currently a Bachelor’s student in physics at ETH Zürich in Switzerland, spoke about the mechanics of alpine skiing and its impact on the human body. Gisin started her degree at the University of Basel but interrupted coursework to concentrate on skiing, making her Alpine Ski World Cup debut in 2005. Four years later, she got her first World Cup victory in women’s downhill skiing, and at the 2014 Sochi Winter Olympics, nabbed a gold medal in the same event.

To start off her talk, she played a series of video clips depicting the many crashes and falls she has suffered throughout her storied career, as the audience winced. In an average year, about 35% of all alpine athletes are injured — Gisin herself has gone through knee surgery a whopping nine times as a result of injuries.

In terms of physics, the variables that matter when it comes to modeling the dynamics of a downhill skier are numerous: the mass of the athlete, her velocity, the radius of a turn, snow temperature, air temperature, course condition, the mechanical characteristics of the equipment, visibility, and the mental/physical state of the athlete. These factors need to be considered when thinking about how to lower the rate of injury for the sport.

For instance, a tighter course setting would help reduce the athlete’s velocity, which could make crashes and falls less dangerous. But as Gisin notes, such a change would also cause skiers to move closer to the nets and potentially get tangled up in them. Another idea that might be interesting to pursue is uniform “anti-aerodynamic” racing suits that reduce athletes’ velocity and provide increased protection. Also, as seen in other sports, alpine skiing could benefit from the development of better protection equipment such as helmets and back protectors.

Kurt Wüthrich and Bettina Heim at the Rolex Science Breakfast

Kurt Wüthrich and Bettina Heim at the Rolex Science Breakfast. Photo: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Also representing ETH Zürich at the master class was Bettina Heim, a Master’s candidate in physics with a background in competitive figure skating. Her achievements in the sport include competing at two World Junior Championships, two World Championships, and becoming Swiss national champion in 2011. Only a short time after, Heim decided to hang up her skates and study physics full-time.

Her Bachelor’s studies culminated in a paper published by the prestigious journal Science in 2015, titled “Quantum versus classical annealing of Ising spin glasses.” It shows that evidence of quantum speed-up may depend on how the problem is described, as well as how the optimization routine is implemented. Today, Heim continues her research in the field of quantum computing, mostly in the realm of adiabatic quantum computing and quantum error correction, at ETH Zürich’s Institute of Theoretical Physics.

However, her focus during Wüthrich’s master class remained firmly in the world of sport and not quantum computers — in particular, she discussed the physics behind her specialty of figure skating. For instance, an athlete must gain a lot of speed going into a spin, and then one side of the body has to stop so the other can pass. This translates velocity into rotation, which results in the many types of spin moves performed by figure skaters.

As in downhill skiing, injuries remain prevalent in figure skating despite not being a contact sport. Common injuries for skaters include stress fractures, acute injuries involving tendons or ligaments, and back injuries. Heim noted that back injuries often originate from jump impacts (which can be hard on the spinal discs) and extreme positions that require flexibility (tough on muscles and ligaments).

As Wüthrich’s fascinating master class reiterated, the connections between sports and science go way beyond the physics of motion. Sometimes, an athlete and a scientist can be found within the same person.

Life in Super-Resolution: Light Microscopy Beyond the Diffraction Limit

In 1979, South African Allan M. Cormack won the Nobel Prize in Physiology or Medicine for his development of X-ray computed assisted tomography (CT), which allows physicians to see internal bodily structures without cutting. A quarter of a century later, Sir Peter Mansfield of the United Kingdom was given the same award in 2003 for advances in magnetic resonance imaging (MRI) that led to scans taking seconds rather than hours.

Today, these two imaging techniques serve as essential diagnostic and investigative tools for both medicine and the life sciences. But one unique fact about Cormack and Mansfield stands out: Despite winning the most prestigious award in medicine, neither Laureate went to medical school nor had a background in biology — rather, they were both true-blue physicists.

Cormack spent most of his research career focusing on nuclear and particle physics, while his CT efforts remained an intermittent side project for almost two decades. For Mansfield, his postdoctoral work on nuclear magnetic resonance spectroscopy in doped metals gradually transitioned into scanning his first live human subject with the newly invented MRI technique.

The tradition of physicists driving advances in biomedical imaging continues, as made evident by the lectures of Steven Chu and Stefan Hell at the 66th Lindau Nobel Laureate Meeting. Both showed visually stunning examples of their research using super-resolution microscopy, a method that transcends the diffraction limit of conventional light microscopes to probe on a nanoscopic scale.


Stefan Hell in discussion with young scientists at #LiNo16. Photo: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

“We learn in school that the resolution of a light microscope is fundamentally limited by diffraction to about half the wavelength of light,” said Hell, who gave his lecture on Thursday morning. “And if you want to see smaller things, you have to resort of course to electron microscopy.”

Hell, a physicist who currently serves as a director of the Max Planck Institute for Biophysical Chemistry in Germany, accomplished what was long thought to be the impossible. Using light microscopy and fluorescent labeling of molecules, he invented a super-resolution technique called stimulated emission depletion (STED) microscopy — the work that won him the 2014 Nobel Prize in Chemistry.

“The development of STED microscopy showed that there is physics in this world that allows you to overcome this diffraction barrier,” he said. “If you play out that physics in a clever way, you can see features that are much finer and details that are beyond the diffraction barrier.”

A conventional microscope cannot distinguish objects — say, molecules — that are packed within a space of about 200 nanometers because they all become flooded with light at the same time. Subsequently, a detector will simply record the scattering as a blurry blob of light without being able to image any individual molecules.

Hell got the idea of highlighting one molecule at a time by using fluorescent labeling, while also keeping other molecules in a dark state through stimulated emission. With a phase modulator, he could then force molecules in a doughnut-shaped area to stay dark and in the ground state while those in the center would produce light.

With this discovery, biomedical researchers could now image objects as tiny as proteins on the outside of a virus. For instance, STED microscopy was used to observe a major difference in envelope protein distribution that can be used to distinguish mature HIV that can infect cells versus those immature viruses that cannot.

“The misconception was that people thought that microscopy resolution was just about waves, but it’s not — microscopy resolution is about waves and states,” Hell emphasized. “And if you see it through the eyes of the opportunities of the states, the light microscope becomes very, very powerful.”

Steven Chu referenced Hell’s groundbreaking research during his lecture on Wednesday morning, which focused on his recent efforts in optical microscopy — quite a departure from his previous work in energy during a decade-long sabbatical.

“I sat down fresh out of government with no lab, no students, no postdocs, no money,” said Chu, who served as U.S. Secretary of Energy from 2009 to 2013. “The only thing that I could do was think, and that turns out to be liberating.”


Steven Chu during his lecture. Photo: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

A venerable jack-of-all-trades, Chu received the 1997 Nobel Prize in Physics in yet another field — atomic physics — for his development of laser cooling and trapping techniques. His latest interest in microscopy grew out of a fascination with cell signaling and how dysfunctions in the process can lead to cancer.

“If you’re a cell embedded in an organism’s tissue, you don’t willy-nilly divide — that’s considered very antisocial behavior. You divide when the surrounding tissue says it’s okay to divide,” he described. “But if you willy-nilly divide and say ‘me-me-me,’ that is called cancer.”

Using imaging techniques, the cell signaling pathway can be investigated in detail to target areas that could prevent cancer from developing. Taking Hell’s work in super-resolution microscopy a step further, Chu discussed his use of rare earths embedded in nanocrystals to replace fluorescent organic dyes. A nanocrystal can be doped with 5,000 to 10,000 impurities so it emits a certain color in the near-infrared with a very narrow spectral peak. If each class of nanoparticle is synthesized to produce a different ratio of colors, this creates a spectral barcoding of probes.

The next step is to use nanoparticle probes to image molecules through tissue in a living organism without cutting. Adaptive optics — a technique that originated in astronomy — has been employed in order to take light scattering into account, enabling high-resolution microscopy of mouse brain tissue through an intact skull.

“The question is if you go deeper into the infrared, can you look not through 500 microns but maybe 5 millimeters?” said Chu. “This is an open question we’re working on this. We’ve gotten down to a millimeter but we’ll see.”

One of his ideas involves inserting nanoparticles into cancer cells and watch them over time in order to track which cells metastasize, with the ultimate goal of developing future therapies.

Smartphones, Energy-Efficient Lamps, and GPS: How Nobel Laureates’ Work Impacts Today’s Technology

Particle physics and cosmology make up the big topics of interest for many young scientists at the 66th Lindau Nobel Laureate Meeting, with lectures by the pioneering researchers who won Nobel Prizes for their work in the cosmic microwave background radiation, neutrino mass, and the accelerating expansion of the universe. These fields embody the inquisitive and fundamental nature of physics as a discipline driven purely by a curiosity about what makes the world tick.

However, let’s not forget about the importance of more applied topics in physics, such as research in semiconductors, optics, medical physics, and nanotechnology. Physicists in these fields have contributed to groundbreaking developments in technology that impact not only society as a whole, but often affect our individual lives on a day-to-day basis.

Their work often teeters on the fuzzy border between science and engineering — a place Nobel Laureate Hiroshi Amano remains very familiar with. As one of the inventors of the once-elusive blue LED, Amano had a direct hand in the realization of full-color displays that grace our beloved smartphones, as well as the energy-efficient LED lighting quickly replacing incandescent and fluorescent bulbs.

“First of all, I’d like to mention that I’m not a physicist — I belong to the engineering department. So today, I’d like to emphasize the importance of not only the science but also the engineering,” said Amano, who kicked off the meeting’s Nobel Laureate lectures on Monday morning. “Maybe my field is not the major in this meeting, so I’d like to mention the importance of the minority.”



Hiroshi Amano during his lecture. Photo: J. Nimke/Lindau Nobel Laureate Meeting

Amano began his lecture by describing his poor academic performance from primary school to high school. Since it seemed to him that the only reason to study hard in Japan was to get into a good high school or university, he lacked sufficient motivation. A former professor changed this mindset by describing the purpose of engineering as a discipline that connects and supports the people. From that moment on, Amano had no trouble finding the inner drive to study hard.

Despite his title as a Professor in the Department of Engineering and Computer Science at Nagoya University in Japan, Amano won the 2014 Nobel Prize in Physics along with Isamu Akasaki and Shuji Nakamura for the invention of high-brightness blue light-emitting diodes (LEDs). For three decades, the creation of a commercially viable blue LED remained a slow-going and difficult endeavor for researchers despite the previous success of red and green LEDs.

“Unfortunately, all the efforts in the 1970s failed,” said Amano, citing issues with growing crystals in the material of choice for blue LEDs, gallium nitride, as well as creating p-type layers. “So many, many researchers abandoned this material and started the new material research such as zinc selenide. Only one person could not abandon this material: my supervisor, Isamu Akasaki.”

In 1985, Akasaki and Amano successfully created their own crystal growth system by using a buffer layer of low-temperature-deposited aluminum nitride that sat between the gallium nitride and sapphire substrate. After a few more tweaks involving the p-type layer, the two presented the world’s first high-brightness blue LED in 1992.

The flashy new blue LEDs could now be combined with their classic red and green counterparts to produce full-color displays for smartphones, computer screens, and televisions. Energy-efficient and long-lasting lightbulbs that emit white light use blue LEDs along with yellow phosphor, and have already started to replace incandescent and fluorescent lighting around the world. By year 2020, the total electricity consumption in Japan could drop about 7% by swapping existing lamp systems to LEDs — a savings of 1 trillion Japanese yen.

Outside of cosmology and particle physics, another fundamental field of physics lies in studying the strange and often paradoxical quantum world. Many quantum phenomena were thought to exist only in a theorist’s mind, since direct experimental observation would destroy the individual quantum systems.

However, the work of Nobel Laureate David Wineland proved otherwise. In 2012, Wineland and Serge Haroche shared the Nobel Prize in Physics for their independent discovery of experimental methods that enable the measurement and manipulation of individual particles without destroying their quantum-mechanical nature. His research has enabled the creation of extremely precise atomic clocks, with more than 100-fold greater precision than the cesium-based clocks in standard use.



David Wineland

“Certainly one of the applications of precise clocks over many centuries has been in navigation, and that’s still true today,” said Wineland during his lecture on Tuesday morning. “One system we take for granted is the [Global Positioning System (GPS)].”

Signals from satellites orbiting the Earth transmit their position and current time, which are then picked up by a GPS receiver. Given that the signals travel at the speed of light, the calculated time delays between the clocks of multiple satellites and those on the ground can be used to pinpoint the GPS receiver’s location on the surface of the Earth.

“There can be errors in the clocks, so for example if the clocks are synchronized to the nanosecond, then that gives an uncertainty of about 30 centimeters,” he said.

The standard atomic clocks in satellites today use an electronic transition frequency in the microwave range as a periodic event generator or frequency reference. Earlier examples of periodic event generators include the rotation of the Earth and the swing of a pendulum.

As Group Leader of the Ion Storage Group at the National Institute of Standards and Technology (NIST) in the U.S., Wineland began working on building a better clock in 1979 when he started to do experiments with atomic ions. The group trapped beryllium ions by surrounding them with electric fields and used tuned laser pulses to put the ions in a superposition state, or a simultaneous existence of two different energy states. A single ion trapped in this way could also be used to create an optical clock, based on optical rather than microwave transitions.

An optical clock’s precision can be better than one part in 10^17 — meaning that if you started the clock at the time of the Big Bang 14 billion years ago, it would only be off by about 5 seconds.

At the end of his lecture, Wineland described using his clocks for navigation at a scale of less than one centimeter. Not only would GPS calculations become much more accurate, but such clocks could even measure the dynamics of relative locations on Earth for earthquake prediction.