Brad Amos on viettänyt suurimman osan elämästään ajatellen pieniä maailmoja ja tutkiessaan niitä. Nyt 71-vuotias hän työskentelee vierailevana professorina Skotlannin Strathclyden yliopistossa, jossa hän johtaa tutkijaryhmää, joka suunnittelee erittäin suuren uuden mikroskoopin linssin – ihmisen käsivarren pituudesta ja leveydestä. Yksi fysiikan maailman kymmenestä vuoden 2016 läpimurrosta nimetty ns.Mesolens on niin voimakas, että se voi kuvata kokonaisia kasvaimia tai hiiren alkioita yhdellä näkökentällä ja samalla kuvata solujen sisäosia.
”Siinä on laaja valokuvakameran linssin peitto ja mikroskoopin objektiivin hieno resoluutio, joten sillä on näiden kahden lähestymistavan edut”, Amos sanoo. ”Kuvat ovat erittäin hyödyllisiä.”
Tänään Amosin kaltaiset mikroskopistit työskentelevät ympäri maailmaa innovoimaan uutta tekniikkaa, jota käytetään laajasti lääketieteessä ja ihmisten terveydessä. Mutta nämä huippuluokan edistysaskeleet juontavat juurensa ensimmäisiin 1500- ja 1700-luvuilla rakennettuihin mikroskooppeihin. Vaikka ne olisivatkin ajankohtaisia, ne eivät vaikuttaisi sinuun paljon; jotka eivät olleet paljon vahvempia kuin kädessä pidettävä suurennuslasi.
Amos on ollut pakkomielle näistä yksinkertaisimmistakin mikroskoopeista siitä lähtien, kun hän sai yhden syntymäpäivänä lapsena. Hänen juonittelunsa mikroskooppisissa maailmoissa muuttui kyltymättömäksi, kun hän tutki kaikkea mitä löysi, pienistä, ponnahtavista kuplista tulevasta voimasta tapaan, jolla kuparipalat muovautui neulan piston alle. ”Se on kuin leikkitaikina, se voi olla hyvin pehmeää”, Amos sanoo kuparista. Hän kuvailee kunnioitustaan ilmiöistä, jotka hän löysi laajuudessa, jota hän ei voinut nähdä paljain silmin: ”Opiskelet maailmaa, jossa ei ole” Ei edes noudateta samoja havaintosääntöjä. ”
Tämäntyyppinen uteliaisuus pienien maailmojen meneillään ajaa mikroskopiaa alusta asti. Hollantilainen isä-poika -tiimi nimeltä Hans ja Zacharias Janssen keksivät ensimmäisen ns. Yhdistemikroskoopin 1500-luvun lopulla, kun he huomasivat, että jos he asettavat linssin putken ylä- ja alaosaan ja katsovat sen läpi, esineitä toinen pää suureni. Laite loi kriittisen pohjan tuleville läpimurtoille, mutta vain suurennettu 3x-9x.
Kuvan laatu oli parhaimmillaan keskinkertaista, kertoo Steven Ruzin, mikroskopisti ja Golub Microscope -kokoelman kuraattori. Kalifornian yliopisto Berkeleyssä. ”Olen kuvannut heidän kauttaan, ja ne ovat todella kauheita”, sanoo Ruzin. ”Käsiobjektiivit olivat paljon parempia.”
Vaikka ne tarjoavat suurennuksen, nämä ensimmäiset yhdistelmämikroskoopit eivät pystyneet lisäämään tarkkuutta niin suurennettuna. kuvat näyttivät epäselviltä ja peitetyiltä. Tämän seurauksena heiltä ei tullut merkittäviä tieteellisiä läpimurtoja noin sadan vuoden ajan, Ruzin sanoo.
Mutta linssien parannukset paransivat 1600-luvun loppupuolella kuvan laatua ja suurennusvoimaa jopa 270x , avaa tietä suurille löytöille. Vuonna 1667 englantilainen luonnontieteilijä Robert Hooke julkaisi tunnetusti kirjansa Micrographia, jossa on monimutkaiset piirustukset satoista havainnoiduista yksilöistä, mukaan lukien erilliset osiot nurmikasvien oksassa. Hän kutsui leikkeitä soluiksi, koska ne muistuttivat häntä luostarin soluista – ja näin hänestä tuli solubiologian isä.
Vuonna 1676 hollantilainen kangaskauppias-tiedemies Antony van Leeuwenhoek paransi mikroskooppia etsimään myymänsä kankaan kohdalla, mutta tahattomasti löysi uraauurtavan havainnon bakteerien olemassaolosta. Hänen vahingossa tapahtunut löytö avasi mikrobiologian kentän ja modernin lääketieteen perustan; Lähes 200 vuotta myöhemmin ranskalainen tiedemies Louis Pasteur totesi, että bakteerit olivat useiden sairauksien syy (ennen sitä monet tutkijat uskoivat miasma-teoriaan, että mätä ilma ja huonot hajut saivat meidät sairastumaan).
”Se oli valtava ”, sanoo Wisconsin Madisonin yliopiston mikroskopisti Kevin Eliceiri bakteerien alkuperäisestä löydöksestä.” Oli paljon hämmennystä siitä, mikä sai sinut sairaaksi. Ajatus siitä, että vedessä on bakteereja ja asioita, oli kaikkien aikojen suurimpia löytöjä. ”
Seuraavana vuonna, vuonna 1677, Leeuwenhoek teki toisen merkittävän löydön, kun hän tunnisti ihmisen siittiöiden ensimmäisen kerran. Lääketieteellinen opiskelija oli tuonut hänelle gonorrhea-potilaan siemensyöksyn tutkimaan hänen mikroskoopillaan. Leeuwenhoek pakotti, löysi pienet pyrstöeläimet ja jatkoi samojen vääntelevien ”eläinpakkausten” löytämistä omasta siemennesteestä.Hän julkaisi nämä uraauurtavat havainnot, mutta kuten bakteerien tapauksessa, kului 200 vuotta ennen kuin tutkijat ymmärsivät löydön todellisen merkityksen.
1800-luvun lopulla saksalainen tiedemies Walther Flemming löysi solujen jakautumisen, joka vuosikymmeniä myöhemmin auttoi selventämään syövän kasvua – havainto, joka olisi ollut mahdotonta ilman mikroskooppeja.
”Jos haluat pystyä kohdistamaan osan solukalvosta tai kasvaimesta, sinun on katsottava sitä.” sanoo Eliceiri.
Vaikka Hooken ja Leeuwenhoekin käyttämillä alkuperäisillä mikroskoopeilla voi olla rajoituksia, niiden kahden putkilla liitetyn linssin perusrakenne pysyi merkityksellisenä vuosisatojen ajan, Eliceiri sanoo. Viimeisten 15 vuoden aikana Vuonna 2014 joukko saksalaisia ja amerikkalaisia tutkijoita voitti kemian Nobel-palkinnon menetelmästä nimeltä superresoluutioinen fluoresenssimikroskopia, joka on niin tehokas, että voimme nyt seurata yksittäisiä proteiineja niiden kehittyessä soluissa. ng-menetelmä, joka on mahdollistettu innovatiivisella tekniikalla, joka saa geenit hohtamaan tai ”fluoresoimaan”, on potentiaalisia sovelluksia torjumassa sairauksia kuten Parkinsonin ja Alzheimerin tauteja.
Ruzin johtaa Berkeleyn Kalifornian yliopiston biologisen kuvantamisen laitosta, jossa tutkijat käyttävät tekniikkaa tutkiakseen kaikkea mikrorakenteet Giardia-loisessa ja proteiinien järjestelyt bakteereissa. Auttaakseen tuomaan nykyaikaisen mikroskopiatutkimuksen kontekstiin hän haluaa jakaa Golub-kokoelman vanhimpia esineitä – yksi maailman suurimmista julkisesti esitetyistä kokoelmista, joka sisältää 164 1600-luvulta peräisin olevaa antiikkimikroskooppia – perustutkinnonsaajansa kanssa opiskelijoille. Hän jopa antaa heidän käsitellä joitain vanhimpia kokoelmassa, mukaan lukien italialainen, joka on valmistettu norsunluusta noin vuonna 1660.
”Sanon” älä kohdista sitä, koska se rikkoutuu ”, mutta annan opiskelijoiden katsoa sen kautta, ja se tavallaan tuo sen kotiin ”, Ruzin sanoo.
Silti superresoluutiomikroskopian voimasta huolimatta se kuitenkin asettaa uusia haasteita. Esimerkiksi, milloin tahansa näyte liikkuu korkealla resoluutiolla , kuva sumenee, sanoo Ruzin. ”Jos solu värisee vain lämpöliikkeellä ja hyppää ympäriinsä vesimolekyylien vaikutuksesta siihen, että ne ovat lämpimiä, se tappaa superresoluutio, koska se vie aikaa”, Ruzin sanoo. (Tästä syystä tutkijat eivät yleensä käytä superresoluutio mikroskopiaa elävien näytteiden tutkimiseen.)
Mutta tekniikka, kuten Amosin Mesolens – paljon pienemmällä suurennuksella, vain 4x, mutta paljon laajemmalla näkökentällä pystyy sieppaamaan jopa 5 mm tai noin vaaleanpunaisen kynnen leveyden – voi kuvata elävän näytteen. Tämä tarkoittaa sitä, että he voivat katsella hiiren alkion kehittymistä reaaliajassa seuraamalla vastasyntyneiden verisuonisairauksiin liittyviä geenejä, kun ne integroituvat alkioon. Ennen tätä tutkijat käyttävät röntgensäteitä verisuonisairauksien tutkimiseen alkioissa, mutta eivät saaneet yksityiskohtia solutasolle, kuten ne tekevät Mesolenien kanssa, Amos sanoo.
”Se on melkein ennenkuulumatonta joku voi suunnitella uuden objektiivin valomikroskopiaa varten, ja olemme tehneet tämän yrittääksemme sovittaa uudentyyppiset näytteet, joita biologit haluavat tutkia ”, kertoo Amoksen kollega Gail McConnell Strathclyde Glasgown yliopistosta selittäen, että tutkijat ovat kiinnostuneita tutkimalla ehjiä organismeja, mutta eivät halua vaarantaa näkyvien yksityiskohtien määrää.
Toistaiseksi tietovarastoteollisuus on ilmaissut kiinnostuksensa käyttää Mesolensia puolijohdemateriaalien tutkimiseen ja öljyteollisuuden jäseniä ovat olleet kiinnostuneita käyttämään sitä mahdollisten porauspaikkamateriaalien kuvaamiseen. Linssin muotoilu ottaa erityisen hyvin valoa, jolloin tutkijat voivat tarkkailla monimutkaisia yksityiskohtia, kuten ulospäin siirtyvien metastasoituneen kasvaimen soluja. Näitä uusia tekniikoita on vielä nähtävissä.
”Jos kehität toisenlaisen tavoitteen kuin mikään muu, mitä on tehty viimeisen sadan vuoden aikana, se avaa kaikenlaisia tuntemattomia mahdollisuuksia”, Amos sanoo. ”Olemme vasta alkaneet ymmärtää, mitkä nämä mahdollisuudet ovat.”
Toimittajan huomautus, 31. maaliskuuta 2017: Tätä viestiä on muokattu vastaamaan, että Leeuwenhoek ei parantanut yhdistemikroskooppia ja että Ruzinin kokoelma on peräisin 1700-luvulta.
