Brad Amos ha pasado la mayor parte de su vida pensando y mirando en mundos diminutos. Ahora tiene 71 años y trabaja como profesor invitado en la Universidad de Strathclyde en Escocia, donde dirige un equipo de investigadores que diseña una nueva lente de microscopio extremadamente grande, aproximadamente del largo y ancho de un brazo humano. Nombrado como uno de los diez avances más importantes del mundo de la física en 2016, el llamado Mesolens es tan poderoso que puede obtener imágenes de tumores enteros o embriones de ratón en un campo de visión y al mismo tiempo obtener imágenes del interior de las células.
«Tiene la gran cobertura de la lente de una cámara fotográfica y la resolución fina del objetivo del microscopio, por lo que tiene las ventajas de los dos enfoques», dice Amos. «Las imágenes son extremadamente útiles».
Hoy en día, microscopistas como Amos están trabajando en todo el mundo para innovar nuevas tecnologías con aplicaciones generalizadas en la medicina y la salud humana. Pero todos estos avances de vanguardia se remontan a los primeros microscopios construidos en los siglos XVI y XVII. Aunque son de vanguardia para el momento, no te impresionarán mucho; que no eran mucho más fuertes que una lupa de mano.
Amos ha estado obsesionado incluso con estos microscopios más simples desde que recibió uno por su cumpleaños cuando era niño. Su intriga en mundos microscópicos se volvió insaciable mientras exploraba cualquier cosa que pudiera encontrar, desde la fuerza dentro de pequeñas burbujas que estallaban hasta la forma en que las piezas de cobre se moldeaban bajo el pinchazo de una aguja. «Es como plastilina, puede ser muy suave», dice Amos sobre el cobre. Describe su asombro por los fenómenos que descubrió bajo el visor que no podía ver con sus propios ojos: «Estás estudiando un mundo que no ni siquiera obedecemos las mismas reglas de percepción ”.
Este tipo de curiosidad por los sucesos de los mundos diminutos impulsó la microscopía desde sus inicios. Un equipo holandés de padre e hijo llamado Hans y Zacharias Janssen inventó el primer microscopio compuesto a fines del siglo XVI cuando descubrieron que, si colocaban una lente en la parte superior e inferior de un tubo y miraban a través de él, los objetos en el el otro extremo se magnificó. El dispositivo sentó las bases fundamentales para futuros avances, pero solo aumentó entre 3x y 9x.
La calidad de la imagen fue, en el mejor de los casos, mediocre, dice Steven Ruzin, microscopista y curador de la colección de microscopios Golub en el Universidad de California en Berkeley. «He tomado imágenes a través de ellos y son realmente horribles», dice Ruzin. «Las lentes de mano eran mucho mejores».
Aunque proporcionaban aumento, estos primeros microscopios compuestos no podían aumentar la resolución, por lo que aumentaron las imágenes parecían borrosas y oscurecidas. Como resultado, no obtuvieron avances científicos significativos durante aproximadamente 100 años, dice Ruzin.
Pero a fines del siglo XVII, las mejoras en las lentes aumentaron la calidad de la imagen y el poder de aumento hasta 270x , allanando el camino para grandes descubrimientos. En 1667, el científico natural inglés Robert Hooke publicó su famoso libro Micrographia con dibujos intrincados de cientos de especímenes que observó, incluidas distintas secciones dentro de la rama de una planta herbácea. Llamó a las secciones células porque le recordaban a las células de un monasterio y, por lo tanto, se convirtió en el padre de la biología celular.
En 1676, el comerciante de telas holandés convertido en científico Antony van Leeuwenhoek mejoró aún más el microscopio con la intención de mirar en la tela que vendió, pero sin darse cuenta hizo el descubrimiento pionero de que existen bacterias. Su hallazgo accidental abrió el campo de la microbiología y la base de la medicina moderna; casi 200 años después, el científico francés Louis Pasteur determinaría que las bacterias eran la causa de muchas enfermedades (antes de eso, muchos científicos creían en la teoría del miasma de que el aire podrido y los malos olores nos enfermaban).
«It fue enorme ”, dice Kevin Eliceiri, microscopista de la Universidad de Wisconsin Madison, sobre el descubrimiento inicial de las bacterias.“ Había mucha confusión sobre lo que te enfermaba. La idea de que hay bacterias y cosas en el agua fue uno de los mayores descubrimientos de la historia ”.
El año siguiente, en 1677, Leeuwenhoek hizo otro descubrimiento distintivo cuando identificó el esperma humano por primera vez. Un estudiante de medicina le había traído la eyaculación de un paciente con gonorrea para estudiar bajo su microscopio. Leeuwenhoek obedeció, descubrió animales de cola diminuta y continuó para encontrar los mismos «animálculos» retorcidos en su propia muestra de semen.Publicó estos descubrimientos innovadores, pero, como sucedió con las bacterias, pasaron 200 años antes de que los científicos entendieran el verdadero significado del descubrimiento.
A fines del siglo XIX, un científico alemán llamado Walther Flemming descubrió la división celular que, décadas más tarde, ayudó a aclarar cómo crece el cáncer, un hallazgo que hubiera sido imposible sin microscopios.
«Si desea poder apuntar a una parte de la membrana celular o un tumor, debe observarlo». dice Eliceiri.
Si bien los microscopios originales que usaron Hooke y Leeuwenhoek pueden haber tenido sus limitaciones, su estructura básica de dos lentes conectadas por tubos siguió siendo relevante durante siglos, dice Eliceiri. En los últimos 15 años, los avances en imágenes se han trasladado a nuevos reinos. En 2014, un equipo de investigadores alemanes y estadounidenses ganó el Premio Nobel de Química por un método llamado microscopía de fluorescencia de superresolución, tan poderoso que ahora podemos rastrear proteínas individuales a medida que se desarrollan dentro de las células. El método ng, hecho posible a través de una técnica innovadora que hace que los genes brillen o «emitan fluorescencia», tiene aplicaciones potenciales para combatir enfermedades como el Parkinson y el Alzheimer.
Ruzin dirige la Instalación de Imágenes Biológicas en la Universidad de California en Berkeley, donde los investigadores utilizan la tecnología para explorar todo, desde microestructuras dentro del parásito Giardia y arreglos de proteínas dentro de las bacterias. Para ayudar a poner en contexto la investigación de la microscopía moderna, se asegura de compartir algunos de los elementos más antiguos de la Colección Golub, una de las colecciones más grandes del mundo que se exhiben públicamente, que contiene 164 microscopios antiguos que datan del siglo XVII, con su estudiante. estudiantes. Incluso les deja manejar algunos de los más antiguos de la colección, incluido uno italiano hecho de marfil alrededor de 1660.
«Yo digo no lo enfoque porque se romperá, pero dejo que los estudiantes a través de él, y de alguna manera lo lleva a casa «, dice Ruzin.
Aún así, a pesar del poder de la microscopía de súper resolución, plantea nuevos desafíos. Por ejemplo, cada vez que una muestra se mueve en alta resolución , la imagen se vuelve borrosa, dice Ruzin. «Si una célula vibra sólo por movimiento térmico, rebotando cuando las moléculas de agua la golpean porque están calientes, esto matará la súper resolución porque lleva tiempo», dice Ruzin. (Por esta razón, los investigadores generalmente no usan microscopía de súper resolución para estudiar muestras vivas).
Pero tecnología como la Mesolens de Amos, con un aumento mucho menor de solo 4x pero un campo de visión mucho más amplio capaz de capturar hasta 5 mm, o aproximadamente el ancho de una uña meñique, puede obtener imágenes de muestras en vivo. Esto significa que pueden observar el desarrollo de un embrión de ratón en tiempo real, siguiendo los genes asociados con la enfermedad vascular en los recién nacidos a medida que se incorporan al embrión. Antes de esto, los científicos usaban rayos X para estudiar la enfermedad vascular en embriones, pero no obtenían detalles hasta el nivel celular como lo hacen con los mesolenos, dice Amos.
«Es casi inaudito para que cualquiera pueda diseñar una nueva lente objetivo para microscopía óptica y lo hemos hecho para tratar de adaptar los nuevos tipos de especímenes que los biólogos quieren estudiar ”, dice Gail McConnell, colega de Amos en la Universidad de Strathclyde Glasgow, explicando que los científicos están interesados en estudiar organismos intactos, pero no quiere comprometer la cantidad de detalles que pueden ver.
Hasta ahora, la industria del almacenamiento de datos ha expresado interés en usar Mesolens para estudiar materiales semiconductores y miembros de la industria petrolera han estado interesados en usarlo para obtener imágenes de materiales de posibles sitios de perforación. El diseño de la lente capta la luz particularmente bien, lo que permite a los investigadores observar el desarrollo de detalles intrincados, como las células de un tumor en metástasis que migran hacia afuera. Pero la verdadera potencia Queda por ver una de estas nuevas técnicas.
«Si se desarrolla un objetivo diferente a todo lo que se ha hecho durante los últimos 100 años, se abre todo tipo de posibilidades desconocidas», dice Amos. «Apenas estamos empezando a comprender cuáles son esas posibilidades».
Nota del editor, 31 de marzo de 2017: esta publicación se ha editado para reflejar que Leeuwenhoek no mejoró el microscopio compuesto y que la colección de Ruzin se remonta al siglo XVII.
