Brad Amos strávil většinu svého života přemýšlením a hledáním do malých světů. Nyní je mu 71 let a pracuje jako hostující profesor na University of Strathclyde ve Skotsku, kde vede tým vědců, kteří navrhují extrémně velkou novou čočku mikroskopu – o délce a šířce lidské paže. Pojmenovaný jako jeden z deseti nejlepších objevů fyziky World of 2016, takzvaný Mesolens je tak silný, že dokáže zobrazovat celé nádory nebo embrya myší v jednom zorném poli a současně zobrazovat vnitřek buněk.
„Má velké pokrytí objektivu fotografické kamery a jemné rozlišení objektivu mikroskopu, takže má výhody těchto dvou přístupů,“ říká Amos. „Obrázky jsou nesmírně užitečné.“
Mikroskopové jako Amos dnes pracují po celém světě na inovaci nových technologií s širokým využitím v medicíně a lidském zdraví. Všechny tyto špičkové pokroky se však vracejí k úplně prvním mikroskopům postaveným v 16. a 17. století. I když jsou v té době špičkové, moc by na vás nezapůsobili; které nebyly o moc silnější než ruční lupa.
Amos byl posedlý i těmito nejjednoduššími mikroskopy od chvíle, kdy jako dítě dostal jeden k narozeninám. Jeho intriky v mikroskopických světech se staly nenasytnými, když prozkoumával vše, co našel, od síly uvnitř drobných praskajících bublin až po způsob, jak se kousky mědi formovaly pod hrotem jehly. „Je to jako hrací těsto, může to být velmi měkké,“ říká Amos o mědi. Popisuje svou úctu vůči fenoménům, které objevil v rámci rozsahu, který neviděl pouhýma očima: „Studujete svět, který ne Dokonce se řídíme stejnými pravidly vnímání. “
Tento typ zvědavosti v dětech malých světů poháněl mikroskopii od jejího vzniku. Nizozemský tým otce a syna jménem Hans a Zacharias Janssen vynalezli první takzvaný složený mikroskop na konci 16. století, když zjistili, že pokud umístí čočku na horní a dolní část trubice a podívají se skrz ni, objekty na druhý konec se zvětšil. Zařízení položilo zásadní základy pro budoucí průlomy, ale zvětšilo se pouze mezi 3x a 9x.
Kvalita obrazu byla přinejlepším průměrná, říká Steven Ruzin, mikroskop a kurátor Golub Microscope Collection na Kalifornská univerzita v Berkeley. „Zobrazil jsem je skrz ně a jsou opravdu docela hrozné,“ říká Ruzin. „Ruční čočky byly mnohem lepší.“
Ačkoli poskytovaly zvětšení, tyto první složené mikroskopy nemohly zvýšit rozlišení, takže zvětšené obrazy vypadaly rozmazané a skryté. Výsledkem je, že od nich po dobu přibližně 100 let nepřišel žádný významný vědecký průlom, říká Ruzin.
Ale na konci 16. století vylepšení objektivů zvýšilo kvalitu obrazu a zvětšovací sílu až na 270x , připravuje půdu pro hlavní objevy. V roce 1667 anglický přírodovědec Robert Hooke skvěle vydal knihu Micrographia se složitými kresbami stovek exemplářů, které pozoroval, včetně odlišných částí větve bylinné rostliny. Řezy nazval buňkami, protože mu připomínaly buňky v klášteře – a stal se tak otcem buněčné biologie.
V roce 1676 holandský obchodník s textilními výrobky, který se stal obchodníkem Antony van Leeuwenhoek, dále vylepšil mikroskop s úmyslem podívat se u látky, kterou prodal, ale nechtěně učinil průkopnický objev, že existují bakterie. Jeho náhodný nález otevřel pole mikrobiologie a základ moderní medicíny; téměř o 200 let později by francouzský vědec Louis Pasteur určil, že bakterie jsou příčinou mnoha nemocí (předtím mnoho vědců věřilo v teorii miasmatu, že nám zkažený vzduch a špatné pachy onemocněly). bylo obrovské, „říká Kevin Eliceiri, mikroskop z University of Wisconsin Madison, o počátečním objevu bakterií.„ O tom, co vás onemocnělo, bylo mnoho zmatků. Myšlenka, že ve vodě jsou bakterie a věci, byla jedním z největších objevů vůbec. “
Příští rok, v roce 1677, učinil Leeuwenhoek další charakteristický objev, když poprvé identifikoval lidské spermie. Student medicíny mu přinesl ejakulát pacienta s kapavkou ke studiu pod svým mikroskopem. Leeuwenhoek se zavázal, objevil drobná ocasová zvířata a ve svém vlastním vzorku spermatu pokračoval ve hledání stejných kroutících se „zvířecích molekul“.Publikoval tato průkopnická zjištění, ale stejně jako u bakterií uplynulo 200 let, než vědci pochopili skutečný význam tohoto objevu.
Koncem 19. století objevil německý vědec jménem Walther Flemming buněčné dělení, které: o desetiletí později pomohl objasnit, jak rakovina roste – nález, který by byl bez mikroskopů nemožný.
„Pokud chcete být schopni zacílit na část buněčné membrány nebo na nádor, musíte se na to dívat,“ říká Eliceiri.
Zatímco původní mikroskopy, které používali Hooke a Leeuwenhoek, možná měli svá omezení, jejich základní struktura dvou čoček spojených trubicemi zůstala po staletí relevantní, říká Eliceiri. Za posledních 15 let došlo k pokroku V roce 2014 získal tým německých a amerických vědců Nobelovu cenu za chemii za metodu zvanou fluorescenční mikroskopie s vysokým rozlišením, která je tak silná, že nyní můžeme sledovat jednotlivé proteiny, jak se vyvíjejí v buňkách. Metoda ng, umožněná inovativní technikou, díky které geny září nebo „fluoreskují“, má potenciální uplatnění v boji proti nemocem, jako je Parkinsonova a Alzheimerova choroba.
Ruzin vede zařízení pro biologické zobrazování na Kalifornské univerzitě v Berkeley, kde vědci pomocí této technologie zkoumají vše od mikrostruktury u parazita Giardia a uspořádání proteinů v bakteriích. Aby pomohl vnést moderní mikroskopický výzkum do kontextu, chce se svým vysokoškolským studentem sdílet některé z nejstarších předmětů ze sbírky Golub – jedné z největších veřejně vystavených sbírek na světě, která obsahuje 164 starožitných mikroskopů sahajících až do 17. století. studenti. Nechává je dokonce manipulovat s nejstaršími ve sbírce, včetně italské ze slonoviny kolem roku 1660.
„Říkám„ nesoustřeď to, protože se to zlomí, “ale nechal jsem studenty, aby se podívali skrze něj a přináší to domů, „říká Ruzin.
Navzdory síle mikroskopie s vysokým rozlišením však představuje nové výzvy. Například kdykoli se vzorek pohybuje pod vysokým rozlišením , obraz se rozostří, říká Ruzin. „Pokud buňka vibruje pouze tepelným pohybem a odráží se kolem, protože do ní dopadají molekuly vody, protože jsou teplé, zabije to super rozlišení, protože to vyžaduje čas,“ říká Ruzin. (Z tohoto důvodu vědci obecně ke studiu živých vzorků nepoužívají mikroskopii s vysokým rozlišením.)
Ale technologie jako Amosův Mesolens – s mnohem menším zvětšením, jen 4x, ale s mnohem širším zorným polem schopné zachytit až 5 mm nebo přibližně o šířku malíčku na nehtu – lze zobrazit živý vzorek. To znamená, že mohou sledovat vývoj zárodku myší v reálném čase a sledovat geny spojené s vaskulárním onemocněním u novorozenců, jakmile se začlení do embrya. Předtím vědci používali rentgenové paprsky ke studiu cévních onemocnění u embryí, ale nedostali by podrobnosti až na buněčnou úroveň, jako tomu bylo u Mesolenů, říká Amos.
„Je to téměř neslýchané pro kohokoli navrhnout novou objektivovou čočku pro světelnou mikroskopii a my jsme to udělali, abychom se pokusili vyhovět novým typům vzorků, které chtějí biologové studovat, “říká Amosova kolegyně Gail McConnell z University of Strathclyde Glasgow a vysvětluje, že vědci se zajímají o studovat neporušené organismy, ale nechtějí kompromitovat množství detailů, které mohou vidět.
Dosavadní průmysl ukládání dat projevil zájem o použití Mesolenů ke studiu polovodičových materiálů a členů ropného průmyslu se zajímali o jeho použití k zobrazování materiálů z perspektivních vrtných pracovišť. Konstrukce čočky snímá světlo obzvláště dobře, což vědcům umožňuje sledovat složité detaily, jako jsou buňky v metastazujícím nádoru migrujícím směrem ven. Ale skutečná potence L z těchto nových technik teprve uvidíme.
„Pokud vytvoříte jiný cíl, než jakýkoli, který byl vytvořen za posledních 100 let, otevírá to všechny možné neznámé možnosti,“ říká Amos. „Právě začínáme zjišťovat, jaké jsou tyto možnosti.“
Poznámka editora, 31. března 2017: Tento příspěvek byl upraven, aby odrážel, že Leeuwenhoek nevylepšil složený mikroskop a že Ruzinova sbírka sahá až do 17. století.
