Brad Amos hat den größten Teil seines Lebens damit verbracht, über winzige Welten nachzudenken und sie zu untersuchen. Der 71-jährige arbeitet als Gastprofessor an der University of Strathclyde in Schottland, wo er ein Forscherteam leitet, das ein extrem großes neues Mikroskopobjektiv entwirft – etwa so lang und breit wie ein menschlicher Arm. Der sogenannte Mesolens, der als einer der zehn besten Durchbrüche der Physikwelt 2016 bezeichnet wird, ist so leistungsstark, dass er ganze Tumoren oder Mausembryonen in einem Sichtfeld abbilden und gleichzeitig das Innere von Zellen abbilden kann.
„Es hat die große Abdeckung eines fotografischen Kameraobjektivs und die feine Auflösung des Mikroskopobjektivs, daher hat es die Vorteile der beiden Ansätze“, sagt Amos. „Die Bilder sind äußerst nützlich.“
Heute arbeiten Mikroskopiker wie Amos weltweit daran, neue Technologien mit weit verbreiteten Anwendungen in der Medizin und der menschlichen Gesundheit zu innovieren. Diese innovativen Fortschritte gehen jedoch alle auf die ersten Mikroskope zurück, die im 16. und 17. Jahrhundert gebaut wurden. Obwohl sie für die damalige Zeit auf dem neuesten Stand sind, würden sie Sie nicht sehr beeindrucken. Das war nicht viel stärker als eine Handlupe.
Amos war selbst von diesen einfachsten Mikroskopen besessen, seit er als Kind eines zum Geburtstag bekam. Seine Intrige in mikroskopische Welten wurde unersättlich, als er alles erforschte, was er finden konnte, von der Kraft in winzigen, platzenden Blasen bis zu der Art und Weise, wie Kupferstücke unter dem Nadelstich geformt wurden. „Es ist wie ein Spielteig, er kann sehr weich sein“, sagt Amos über Kupfer. Er beschreibt seine Ehrfurcht vor den Phänomenen, die er unter dem Gesichtspunkt entdeckt hat, den er mit bloßen Augen nicht sehen konnte: „Sie studieren eine Welt, die es nicht tut.“ Ich befolge nicht einmal die gleichen Wahrnehmungsregeln. “
Diese Art von Neugierde im Geschehen winziger Welten trieb die Mikroskopie von Anfang an voran. Ein niederländisches Vater-Sohn-Team namens Hans und Zacharias Janssen erfand Ende des 16. Jahrhunderts das erste sogenannte Verbundmikroskop, als sie entdeckten, dass, wenn sie eine Linse oben und unten in eine Röhre steckten und durch sie hindurchschauten, Objekte auf der Das andere Ende wurde vergrößert. Das Gerät legte wichtige Grundlagen für zukünftige Durchbrüche, wurde jedoch nur um das 3- bis 9-fache vergrößert.
Die Bildqualität war bestenfalls mittelmäßig, sagt Steven Ruzin, Mikroskopiker und Kurator der Golub Microscope Collection am Universität von Kalifornien in Berkeley. „Ich habe sie abgebildet und sie sind wirklich ziemlich schrecklich“, sagt Ruzin. „Die Handlinsen waren viel besser.“
Obwohl sie vergrößert wurden, konnten diese ersten zusammengesetzten Mikroskope die Auflösung nicht erhöhen, also vergrößert Bilder wirkten verschwommen und verdeckt. Infolgedessen gab es etwa 100 Jahre lang keine bedeutenden wissenschaftlichen Durchbrüche, sagt Ruzin.
Bis zum Ende des 17. Jahrhunderts erhöhten Verbesserungen der Objektive die Bildqualität und die Vergrößerungsstärke auf das 270-fache und ebnet den Weg für wichtige Entdeckungen. 1667 veröffentlichte der englische Naturwissenschaftler Robert Hooke sein Buch Micrographia mit komplizierten Zeichnungen von Hunderten von Exemplaren, die er beobachtete, einschließlich verschiedener Abschnitte innerhalb des Zweigs einer krautigen Pflanze. Er nannte die Sektionen Zellen, weil sie ihn an Zellen in einem Kloster erinnerten – und so zum Vater der Zellbiologie wurden.
1676 verbesserte der niederländische Tuchhändler und Wissenschaftler Antony van Leeuwenhoek das Mikroskop weiter, um es zu untersuchen an dem Stoff, den er verkaufte, machte aber versehentlich die bahnbrechende Entdeckung, dass Bakterien existieren. Sein zufälliger Befund eröffnete das Gebiet der Mikrobiologie und die Grundlagen der modernen Medizin; Fast 200 Jahre später stellte der französische Wissenschaftler Louis Pasteur fest, dass Bakterien die Ursache für viele Krankheiten waren (zuvor glaubten viele Wissenschaftler an die Miasma-Theorie, dass faule Luft und schlechte Gerüche uns krank machten).
„Es war riesig “, sagt Kevin Eliceiri, Mikroskopiker an der Universität von Wisconsin Madison, über die anfängliche Entdeckung von Bakterien.„ Es gab viel Verwirrung darüber, was Sie krank gemacht hat. Die Idee, dass sich Bakterien und Dinge im Wasser befinden, war eine der größten Entdeckungen aller Zeiten. “
Im nächsten Jahr, 1677, machte Leeuwenhoek eine weitere markante Entdeckung, als er zum ersten Mal menschliches Sperma identifizierte. Ein Medizinstudent hatte ihm das Ejakulat eines Gonorrhoe-Patienten gebracht, um unter seinem Mikroskop zu studieren. Leeuwenhoek war verpflichtet, entdeckte winzige Schwanztiere und fand in seiner eigenen Samenprobe die gleichen zappelnden „Tierkapseln“.Er veröffentlichte diese bahnbrechenden Ergebnisse, aber wie bei Bakterien vergingen 200 Jahre, bis die Wissenschaftler die wahre Bedeutung der Entdeckung erkannten.
Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte ein deutscher Wissenschaftler namens Walther Flemming die Zellteilung, die Jahrzehnte später wurde geklärt, wie Krebs wächst – ein Befund, der ohne Mikroskope nicht möglich gewesen wäre.
„Wenn Sie in der Lage sein möchten, einen Teil der Zellmembran oder einen Tumor anzugreifen, müssen Sie ihn beobachten.“ sagt Eliceiri.
Während die ursprünglichen Mikroskope, die Hooke und Leeuwenhoek verwendeten, möglicherweise ihre Grenzen hatten, blieb ihre Grundstruktur aus zwei Linsen, die durch Röhren verbunden sind, jahrhundertelang relevant, sagt Eliceiri. In den letzten 15 Jahren wurden Fortschritte erzielt in der Bildgebung haben neue Bereiche betreten. 2014 gewann ein Team deutscher und amerikanischer Forscher den Nobelpreis für Chemie für eine Methode namens hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie, die so leistungsfähig ist, dass wir jetzt einzelne Proteine verfolgen können, während sie sich in Zellen entwickeln Die ng-Methode, die durch eine innovative Technik ermöglicht wird, die Gene zum Leuchten oder „Fluoreszieren“ bringt, hat potenzielle Anwendungen bei der Bekämpfung von Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer.
Ruzin leitet die Biological Imaging Facility an der University of California in Berkeley, wo Forscher die Technologie nutzen, um alles zu erforschen Mikrostrukturen innerhalb des Giardia-Parasiten und Anordnungen von Proteinen innerhalb von Bakterien. Um die moderne Mikroskopieforschung in einen Zusammenhang zu bringen, teilt er mit seinem Studenten einige der ältesten Objekte aus der Golub-Sammlung – einer der größten öffentlich ausgestellten Sammlungen der Welt mit 164 antiken Mikroskopen aus dem 17. Jahrhundert Studenten. Er lässt sie sogar einige der ältesten in der Sammlung handhaben, darunter eine italienische aus Elfenbein um 1660.
„Ich sage fokussiere es nicht, weil es brechen wird, aber ich lasse die Schüler schauen Es bringt es nach Hause “, sagt Ruzin.
Trotz der Leistungsfähigkeit der hochauflösenden Mikroskopie stellt es neue Herausforderungen. Zum Beispiel jedes Mal, wenn sich eine Probe unter hoher Auflösung bewegt Das Bild verschwimmt, sagt Ruzin. „Wenn eine Zelle nur durch thermische Bewegung vibriert und von Wassermolekülen herumspringt, die auf sie treffen, weil sie warm sind, wird dies die Superauflösung töten, weil es Zeit braucht“, sagt Ruzin. (Aus diesem Grund verwenden Forscher im Allgemeinen keine hochauflösende Mikroskopie, um lebende Proben zu untersuchen.)
Aber Technologien wie Amos Mesolens – mit einer viel geringeren Vergrößerung von nur 4x, aber einem viel größeren Sichtfeld Kann bis zu 5 mm oder etwa die Breite eines kleinen Fingernagels erfassen – kann lebende Proben abbilden. Dies bedeutet, dass sie die Entwicklung eines Mausembryos in Echtzeit beobachten können, indem sie Genen folgen, die mit Gefäßerkrankungen bei Neugeborenen assoziiert sind, wenn sie in den Embryo eingebaut werden. Zuvor verwendeten Wissenschaftler Röntgenstrahlen, um Gefäßerkrankungen in Embryonen zu untersuchen, aber sie würden keine Details auf zelluläre Ebene bringen, wie dies bei den Mesolens der Fall ist, sagt Amos.
„Es ist fast unbekannt Damit jeder eine neue Objektivlinse für die Lichtmikroskopie entwerfen kann, haben wir versucht, die neuen Arten von Proben aufzunehmen, die Biologen untersuchen möchten “, erklärt Amos Kollegin Gail McConnell von der University of Strathclyde Glasgow, dass Wissenschaftler daran interessiert sind Untersuchung intakter Organismen, ohne Kompromisse bei der Detailgenauigkeit eingehen zu wollen.
Bisher hat die Datenspeicherindustrie Interesse an der Verwendung der Mesolens zur Untersuchung von Halbleitermaterialien und Mitgliedern der Ölindustrie bekundet Ich war daran interessiert, damit Materialien von potenziellen Bohrstellen abzubilden. Das Linsendesign nimmt Licht besonders gut auf und ermöglicht es Forschern, komplizierte Details wie Zellen in einem nach außen wandernden metastasierenden Tumor zu beobachten. Aber die wahre Potenz Eine dieser neuen Techniken bleibt abzuwarten.
„Wenn Sie ein anderes Ziel entwickeln als alles, was in den letzten 100 Jahren erreicht wurde, eröffnen sich alle möglichen unbekannten Möglichkeiten“, sagt Amos. „Wir fangen gerade erst an, diese Möglichkeiten zu erkennen.“
Anmerkung des Herausgebers, 31. März 2017: Dieser Beitrag wurde bearbeitet, um zu berücksichtigen, dass Leeuwenhoek das zusammengesetzte Mikroskop nicht verbessert hat und dass die Sammlung von Ruzin aus dem 17. Jahrhundert stammt.
