Brad Amos har brugt det meste af sit liv på at tænke på og se på små verdener. Nu 71 år gammel arbejder han som gæsteprofessor ved University of Strathclyde i Skotland, hvor han leder et team af forskere, der designer en ekstremt stor ny mikroskoplins – omkring længden og bredden af en menneskelig arm. De såkaldte Mesolens, der blev udnævnt til en af de første ti gennembrud i Physics World i 2016, er så kraftfulde, at de kan afbilde hele tumorer eller musembryoer i et synsfelt, mens de samtidig billedbehandles cellernes inderside.
“Det har den store dækning af et fotografisk kameralinse og den fine opløsning af mikroskopmålet, så det har fordelene ved de to tilgange,” siger Amos. “Billederne er ekstremt nyttige.”
I dag arbejder mikroskopister som Amos rundt om i verden for at innovere nye teknologier med udbredte anvendelser inden for medicin og menneskers sundhed. Men disse banebrydende fremskridt sporer alle tilbage til de allerførste mikroskoper bygget i det 16. og 17. århundrede. Mens de var banebrydende for tiden, ville de ikke imponere dig meget; der ikke var meget stærkere end et håndholdt forstørrelsesglas.
Amos har været besat af selv disse enkleste mikroskoper lige siden han fik en til en fødselsdag som barn. Hans intriger i mikroskopiske verdener blev umættelige, da han udforskede alt, hvad han kunne finde, fra kraften inden for små, poppende bobler til den måde, hvorpå stykker kobber blev støbt under nålestikket. “Det er som legedej, det kan være meget blødt,” siger Amos om kobber. Han beskriver sin ærefrygt over de fænomener, han opdagede under det omfang, som han ikke kunne se med bare øjne: “Du studerer en verden, der ikke t adlyder endda de samme regler for opfattelse. ”
Denne type nysgerrighed i starten af små verdener fremkaldte mikroskopi fra starten. Et hollandsk far-søn-team ved navn Hans og Zacharias Janssen opfandt det første såkaldte sammensatte mikroskop i slutningen af det 16. århundrede, da de opdagede, at hvis de satte en linse øverst og nederst på et rør og kiggede igennem det, var genstande på anden ende blev forstørret. Enheden lagde kritisk grund til fremtidige gennembrud, men forstørredes kun med mellem 3x og 9x.
Billedkvaliteten var i bedste fald middelmådig, siger Steven Ruzin, en mikroskopist og kurator for Golub Microscope Collection på University of California i Berkeley. “Jeg har taget billeder af dem, og de er virkelig ret forfærdelige,” siger Ruzin. “Håndlinserne var meget bedre.”
Selvom de gav forstørrelse, kunne disse første sammensatte mikroskoper ikke øge opløsningen, så forstørret billederne virkede slørede og tilslørede. Som et resultat kom der ingen væsentlige videnskabelige gennembrud fra dem i cirka 100 år, siger Ruzin.
Men i slutningen af 1600erne forbedrede linserne kvaliteten af billedet og forstørrelseseffekten til op til 270 gange. , der baner vejen for større opdagelser. I 1667 udgav den engelske naturvidenskabsmand Robert Hooke berømt sin bog Micrographia med indviklede tegninger af hundreder af prøver, han observerede, herunder forskellige sektioner inden for grenen af en urteagtig plante. Han kaldte sektionerne celler, fordi de mindede ham om celler i et kloster – og således blev far til cellulærbiologi.
I 1676 forbedrede den hollandske tøjhandler-vendte videnskabsmand Antony van Leeuwenhoek mikroskopet yderligere med den hensigt at se ved kluden, som han solgte, men uforvarende gjorde den banebrydende opdagelse, at der findes bakterier. Hans utilsigtede fund åbnede området for mikrobiologi og grundlaget for moderne medicin; næsten 200 år senere ville den franske videnskabsmand Louis Pasteur fastslå, at bakterier var årsagen til mange sygdomme (før det troede mange forskere på miasma-teorien om, at rådnet luft og dårlig lugt gjorde os syge).
“Det var enorm, ”siger Kevin Eliceiri, mikroskop ved University of Wisconsin Madison, om den oprindelige opdagelse af bakterier.” Der var en masse forvirring om, hvad der gjorde dig syg. Tanken om, at der er bakterier og ting i vandet, var en af de største opdagelser nogensinde. ”
Det næste år, i 1677, foretog Leeuwenhoek endnu en kendetegnende opdagelse, da han identificerede menneskelig sædceller for første gang. En medicinstudent havde bragt ham sædafgangen fra en gonorépatient til at studere under hans mikroskop. Leeuwenhoek forpligtede sig, opdagede bittesmå haledyr og fortsatte med at finde de samme vridende “animalcules” i sin egen sædprøve.Han offentliggjorde disse banebrydende fund, men som det var tilfældet for bakterier, gik der 200 år, før forskere forstod den sande betydning af opdagelsen.
I slutningen af 1800erne opdagede en tysk videnskabsmand ved navn Walther Flemming celledeling, som årtier senere hjalp med at afklare, hvordan kræft vokser – et fund, der ville have været umuligt uden mikroskoper.
“Hvis du vil være i stand til at målrette mod en del af cellemembranen eller en tumor, skal du se det,” siger Eliceiri.
Selvom de originale mikroskoper, som Hooke og Leeuwenhoek brugte, måske havde deres begrænsninger, forblev deres grundlæggende struktur af to linser forbundet med et rør relevant i århundreder, siger Eliceiri. I de sidste 15 år har fremskridt været i billeddannelse er flyttet ind i nye verdener. I 2014 vandt et team af tyske og amerikanske forskere Nobelprisen i kemi for en metode kaldet superopløsningsfluorescensmikroskopi, så kraftig, at vi nu kan spore enkeltproteiner, når de udvikler sig inden i celler. Denne evolvi ng-metode, muliggjort gennem en innovativ teknik, der får gener til at lyse eller “fluorescere”, har potentielle anvendelser til bekæmpelse af sygdomme som Parkinsons og Alzheimers.
Ruzin leder Biological Imaging Facility ved University of California i Berkeley, hvor forskere bruger teknologien til at udforske alt fra mikrostrukturer i Giardia-parasitten og arrangementer af proteiner i bakterier. For at hjælpe med at bringe moderne mikroskopiforskning i kontekst gør han et punkt i at dele nogle af de ældste genstande fra Golub-samlingen – en af de største offentligt viste samlinger i verden, der indeholder 164 antikke mikroskoper fra det 17. århundrede – med sin bachelor studerende. Han lader dem endda håndtere nogle af de ældste i samlingen, herunder en italiensk en lavet af elfenben omkring 1660.
“Jeg siger fokus ikke på det, fordi det går i stykker, men jeg lader eleverne se igennem det, og det slags bringer det hjem, ”siger Ruzin.
Alligevel, på trods af kraften i superopløsningsmikroskopi, udgør det nye udfordringer. For eksempel, når som helst et eksempel bevæger sig under høj opløsning , billedet udviskes, siger Ruzin. “Hvis en celle vibrerer bare ved termisk bevægelse og hopper rundt af vandmolekyler, der rammer den, fordi de er varme, vil dette dræbe superopløsningen, fordi det tager tid,” siger Ruzin. (Af denne grund bruger forskere generelt ikke superopløsningsmikroskopi til at undersøge levende prøver.)
Men teknologi som Amos Mesolens – med en meget lavere forstørrelse på kun 4x, men et meget bredere synsfelt. er i stand til at fange op til 5 mm eller omkring bredden af en lyserød fingernegl – kan billede levende prøve. Dette betyder, at de kan se et museembryo udvikle sig i realtid efter gener, der er forbundet med vaskulær sygdom hos nyfødte, når de bliver inkorporeret i fosteret. Forud for dette ville forskere bruge røntgenstråler til at undersøge vaskulær sygdom i embryoner, men ville ikke få detaljer ned til det cellulære niveau, som de gør med Mesolens, siger Amos.
“Det er næsten uhørt for enhver at designe en ny objektivlinse til lysmikroskopi, og vi har gjort dette for at forsøge at imødekomme de nye typer prøver, som biologer vil undersøge, ”siger Amos kollega Gail McConnell ved University of Strathclyde Glasgow og forklarer, at forskere er interesserede i studerer intakte organismer, men ønsker ikke at kompromittere den mængde detaljer, de kan se.
Indtil videre har datalagringsindustrien udtrykt interesse for at bruge Mesolens til at studere halvledermaterialer og medlemmer af olieindustrien har været interesseret i at bruge det til at billedmaterialer fra potentielle boresteder. Linsedesignet optager lys særlig godt, så forskere kan se indviklede detaljer udfolde sig, såsom celler i en metastaserende tumor, der migrerer udad. Men den sande potentia l af disse nye teknikker er stadig at se.
“Hvis du udvikler et andet mål end noget andet, der er blevet lavet i de sidste 100 år, åbner det alle mulige ukendte muligheder,” siger Amos. “Vi er lige begyndt at finde ud af, hvad disse muligheder er.”
Redaktørens bemærkning, 31. marts 2017: Dette indlæg er redigeret for at afspejle, at Leeuwenhoek ikke forbedrede det sammensatte mikroskop, og at Ruzins samling stammer tilbage fra det 17. århundrede.
