Brad Amos a passé la majeure partie de sa vie à réfléchir et à regarder dans des mondes minuscules. Aujourdhui âgé de 71 ans, il travaille comme professeur invité à lUniversité de Strathclyde en Écosse, où il dirige une équipe de chercheurs qui conçoit une nouvelle lentille de microscope extrêmement grande – de la longueur et de la largeur dun bras humain. Nommé lune des dix meilleures percées de Physics World en 2016, le soi-disant Mesolens est si puissant quil peut imager des tumeurs entières ou des embryons de souris dans un champ de vision tout en imaginant simultanément lintérieur des cellules.
« Il a la grande couverture dun objectif de caméra photographique et la résolution fine de lobjectif du microscope, donc il a les avantages des deux approches, » dit Amos. « Les images sont extrêmement utiles. »
Aujourdhui, des microscopistes comme Amos travaillent dans le monde entier pour innover de nouvelles technologies avec des applications largement répandues en médecine et en santé humaine. Mais ces avancées de pointe remontent toutes aux tout premiers microscopes construits aux XVIe et XVIIe siècles. Bien qu’ils soient à la pointe de la technologie pour l’époque, ils ne vous impressionneraient pas beaucoup; qui n’était pas beaucoup plus puissante qu’une loupe de poche.
Amos est obsédé par ces microscopes les plus simples depuis qu’il en a un pour son anniversaire d’enfant. Son intrigue dans les mondes microscopiques devint insatiable alors quil explorait tout ce quil pouvait trouver, de la force dans de minuscules bulles éclatantes à la façon dont des morceaux de cuivre moulés sous le coup dune aiguille. « Cest comme de la pâte à modeler, ça peut être très mou », dit Amos à propos du cuivre. Il décrit son admiration devant les phénomènes quil a découverts sous le champ quil ne pouvait pas voir de ses yeux nus: « Vous étudiez un monde qui ne le fait pas. t obéissez même aux mêmes règles de perception. »
Ce type de curiosité dans les allées et venues des mondes minuscules a propulsé la microscopie dès sa création. Une équipe père-fils hollandaise nommée Hans et Zacharias Janssen a inventé le premier microscope dit composé à la fin du 16e siècle quand ils ont découvert que, sils mettaient une lentille en haut et en bas dun tube et regardaient à travers, des objets sur le lautre extrémité sest amplifiée. Lappareil a jeté les bases critiques pour de futures percées, mais na été amplifié que de 3x à 9x.
La qualité de limage était au mieux médiocre, déclare Steven Ruzin, microscopiste et conservateur de la Golub Microscope Collection au Université de Californie à Berkeley. « Je les ai photographiées et elles sont vraiment horribles », dit Ruzin. « Les lentilles à main étaient bien meilleures. »
Bien quils fournissaient un grossissement, ces premiers microscopes composés ne pouvaient pas augmenter la résolution, donc grossis les images semblaient floues et obscurcies. En conséquence, aucune avancée scientifique significative ne leur est venue pendant environ 100 ans, dit Ruzin.
Mais à la fin des années 1600, les améliorations apportées aux objectifs ont augmenté la qualité de limage et la puissance de grossissement jusquà 270x , ouvrant la voie à de grandes découvertes. En 1667, le scientifique anglais Robert Hooke a publié son livre Micrographia avec des dessins complexes de centaines de spécimens quil a observés, y compris des sections distinctes dans la branche dune plante herbacée. Il a appelé les sections cellules parce quelles lui rappelaient les cellules dun monastère – et est ainsi devenu le père de la biologie cellulaire.
En 1676, le marchand de tissus hollandais devenu scientifique Antony van Leeuwenhoek a encore amélioré le microscope avec lintention de regarder au tissu quil a vendu, mais a fait par inadvertance la découverte révolutionnaire que les bactéries existent. Sa découverte accidentelle a ouvert le champ de la microbiologie et les bases de la médecine moderne; près de 200 ans plus tard, le scientifique français Louis Pasteur a déterminé que les bactéries étaient la cause de nombreuses maladies (avant cela, de nombreux scientifiques croyaient en la théorie des miasmes selon laquelle lair pourri et les mauvaises odeurs nous rendaient malades).
« Il était énorme », déclare Kevin Eliceiri, microscopiste à lUniversité du Wisconsin Madison, à propos de la découverte initiale de bactéries.« Il y avait beaucoup de confusion sur ce qui vous a rendu malade. Lidée quil y a des bactéries et des objets dans leau a été lune des plus grandes découvertes de tous les temps. »
Lannée suivante, en 1677, Leeuwenhoek a fait une autre découverte marquante en identifiant le sperme humain pour la première fois. Un étudiant en médecine lui avait apporté léjaculat dun patient atteint de gonorrhée pour quil létudie au microscope. Leeuwenhoek a obligé, a découvert de minuscules animaux à queue, et a continué à trouver les mêmes «animalcules» frétillants dans son propre échantillon de sperme.Il a publié ces découvertes révolutionnaires mais, comme ce fut le cas pour les bactéries, 200 ans se sont écoulés avant que les scientifiques ne comprennent la véritable signification de la découverte.
À la fin des années 1800, un scientifique allemand nommé Walther Flemming a découvert la division cellulaire qui, des décennies plus tard, elle a aidé à clarifier la façon dont le cancer se développe – une découverte qui aurait été impossible sans microscopes.
« Si vous voulez pouvoir cibler une partie de la membrane cellulaire ou une tumeur, vous devez la surveiller, » dit Eliceiri.
Bien que les microscopes originaux utilisés par Hooke et Leeuwenhoek aient eu leurs limites, leur structure de base de deux lentilles reliées par un tube est restée pertinente pendant des siècles, dit Eliceiri. Au cours des 15 dernières années, les progrès en imagerie ont évolué vers de nouveaux domaines. En 2014, une équipe de chercheurs allemands et américains a remporté le prix Nobel de chimie pour une méthode appelée microscopie à fluorescence à super-résolution, si puissante que nous pouvons désormais suivre les protéines individuelles au fur et à mesure quelles se développent dans les cellules. La méthode ng, rendue possible grâce à une technique innovante qui fait briller ou « fluorescent » les gènes, a des applications potentielles dans la lutte contre des maladies telles que la maladie de Parkinson et dAlzheimer.
Ruzin dirige le centre dimagerie biologique de lUniversité de Californie à Berkeley, où les chercheurs utilisent la technologie pour tout explorer microstructures au sein du parasite Giardia et arrangements des protéines au sein des bactéries. Pour aider à mettre en contexte la recherche moderne en microscopie, il met un point dhonneur à partager certains des plus anciens objets de la collection Golub – lune des plus grandes collections exposées publiquement au monde, contenant 164 microscopes antiques datant du XVIIe siècle – avec son étudiant. élèves. Il les laisse même manipuler certains des plus anciens de la collection, y compris un italien en ivoire vers 1660.
« Je dis » ne vous concentrez pas parce que ça va casser « , mais je laisse les élèves regarder », dit Ruzin.
Malgré la puissance de la microscopie à super-résolution, cela pose de nouveaux défis. Par exemple, chaque fois quun spécimen se déplace en haute résolution «Si une cellule vibre uniquement par mouvement thermique, rebondissant par les molécules deau qui la frappent parce quelles sont chaudes, cela tuera la super résolution car cela prend du temps», dit Ruzin. (Pour cette raison, les chercheurs nutilisent généralement pas la microscopie à super-résolution pour étudier des échantillons vivants.)
Mais une technologie comme Amos Mesolens – avec un grossissement beaucoup plus faible de seulement 4x mais un champ de vision beaucoup plus large capable de capturer jusquà 5 mm, ou à peu près la largeur dun ongle rosé – peut photographier un spécimen vivant. Cela signifie quils peuvent regarder un embryon de souris se développer en temps réel, en suivant les gènes associés à une maladie vasculaire chez les nouveau-nés au fur et à mesure de leur intégration dans lembryon. Auparavant, les scientifiques utilisaient les rayons X pour étudier les maladies vasculaires chez les embryons, mais nobtenaient pas de détails au niveau cellulaire comme ils le font avec les Mesolens, dit Amos.
« Cest presque du jamais vu pour quiconque de concevoir une nouvelle lentille dobjectif pour la microscopie optique et nous lavons fait pour essayer daccommoder les nouveaux types de spécimens que les biologistes veulent étudier », explique la collègue dAmos, Gail McConnell de lUniversité de Strathclyde Glasgow, expliquant que les scientifiques sont intéressés par étudier des organismes intacts mais ne veut pas compromettre la quantité de détails quils peuvent voir.
Jusquà présent, lindustrie du stockage de données a exprimé son intérêt à utiliser les Mesolens pour étudier les matériaux semi-conducteurs et les membres de lindustrie pétrolière ont été intéressés à lutiliser pour imager des matériaux provenant de sites de forage potentiels. La conception de la lentille capte particulièrement bien la lumière, ce qui permet aux chercheurs de regarder des détails complexes se dérouler, tels que des cellules dune tumeur métastasée migrant vers lextérieur. Mais le vrai pouvoir L de ces nouvelles techniques reste à voir.
« Si vous développez un objectif différent de tout ce qui a été fait au cours des 100 dernières années, cela ouvre toutes sortes de possibilités inconnues, » dit Amos. « Nous commençons à peine à comprendre quelles sont ces possibilités. »
Note de léditeur, 31 mars 2017: Ce message a été modifié pour refléter que Leeuwenhoek na pas amélioré le microscope composé et que la collection de Ruzin remonte au 17ème siècle.
