Brad Amos ha trascorso la maggior parte della sua vita a pensare e guardare in piccoli mondi. Ora ha 71 anni, lavora come professore in visita presso lUniversità di Strathclyde in Scozia, dove guida un team di ricercatori che progettano una nuova lente per microscopio estremamente grande, circa la lunghezza e la larghezza di un braccio umano. Nominato una delle dieci scoperte più importanti del 2016 nel mondo della fisica, il cosiddetto Mesolens è così potente che può visualizzare interi tumori o embrioni di topo in un unico campo visivo e contemporaneamente visualizzare linterno delle cellule.
“Ha lampia copertura di un obiettivo di una macchina fotografica e la risoluzione fine dellobiettivo del microscopio, quindi ha i vantaggi dei due approcci”, afferma Amos. “Le immagini sono estremamente utili.”
Oggi, microscopisti come Amos stanno lavorando in tutto il mondo per innovare nuove tecnologie con applicazioni diffuse in medicina e salute umana. Ma questi progressi allavanguardia risalgono tutti ai primi microscopi costruiti nel XVI e XVII secolo. Sebbene allavanguardia per lepoca, non ti impressionerebbero molto; che non erano molto più forti di una lente dingrandimento portatile.
Amos è stato ossessionato anche da questi microscopi più semplici da quando ne ha ricevuto uno per un compleanno da bambino. Il suo intrigo nei mondi microscopici divenne insaziabile mentre esplorava qualsiasi cosa potesse trovare, dalla forza allinterno di minuscole bolle scoppiettanti al modo in cui pezzi di rame modellati sotto la punta di un ago. “È come la plastilina, può essere molto morbido”, dice Amos del rame. Descrive la sua soggezione per i fenomeni che ha scoperto nellambito che non poteva vedere a occhi nudi: “Stai studiando un mondo che non Nemmeno obbedire alle stesse regole di percezione. “
Questo tipo di curiosità nel procedere di piccoli mondi ha alimentato la microscopia sin dal suo inizio. Una squadra olandese padre-figlio di nome Hans e Zacharias Janssen inventò il primo cosiddetto microscopio composto alla fine del XVI secolo quando scoprirono che, se mettevano una lente nella parte superiore e inferiore di un tubo e guardavano attraverso di essa, gli oggetti sul laltra estremità è stata ingrandita. Il dispositivo ha posto le basi fondamentali per scoperte future, ma ingrandito solo da 3x a 9x.
La qualità dellimmagine era mediocre nella migliore delle ipotesi, afferma Steven Ruzin, microscopista e curatore della Golub Microscope Collection presso il Università della California a Berkeley. “Ho ripreso le immagini attraverso di loro e sono davvero orribili”, dice Ruzin. “Le lenti manuali erano molto migliori.”
Sebbene fornissero lingrandimento, questi primi microscopi composti non potevano aumentare la risoluzione, quindi ingranditi le immagini apparivano sfocate e oscurate. Di conseguenza, per circa 100 anni non sono emerse scoperte scientifiche significative da loro, afferma Ruzin.
Ma alla fine del 1600, i miglioramenti alle lenti hanno aumentato la qualità dellimmagine e il potere di ingrandimento fino a 270x. , aprendo la strada a importanti scoperte. Nel 1667, lo scienziato naturale inglese Robert Hooke pubblicò notoriamente il suo libro Micrographia con disegni intricati di centinaia di esemplari che osservò, comprese sezioni distinte allinterno del ramo di una pianta erbacea. Chiamò le celle delle sezioni perché gli ricordavano le celle di un monastero e divenne così il padre della biologia cellulare.
Nel 1676, Antony van Leeuwenhoek, commerciante di tessuti olandese diventato scienziato, migliorò ulteriormente il microscopio con lintento di cercare al panno che ha venduto, ma inavvertitamente ha fatto la scoperta rivoluzionaria che i batteri esistono. La sua scoperta accidentale ha aperto il campo della microbiologia e le basi della medicina moderna; quasi 200 anni dopo, lo scienziato francese Louis Pasteur stabilì che i batteri erano la causa di molte malattie (prima di allora, molti scienziati credevano nella teoria del miasma secondo cui laria marcia e i cattivi odori ci facevano ammalare).
” era enorme “, dice Kevin Eliceiri, un microscopista presso lUniversità del Wisconsin Madison, della scoperta iniziale di batteri.” Cera molta confusione su ciò che ti ha fatto ammalare. Lidea che ci siano batteri e cose nellacqua è stata una delle più grandi scoperte di sempre. “
Lanno successivo, nel 1677, Leeuwenhoek fece unaltra scoperta caratteristica quando identificò per la prima volta lo sperma umano. Uno studente di medicina gli aveva portato leiaculato di un malato di gonorrea per studiarlo al microscopio. Leeuwenhoek obbedì, scoprì piccoli animali dalla coda e continuò a trovare gli stessi “animaletti” dimenanti nel suo campione di sperma.Pubblicò questi risultati rivoluzionari ma, come nel caso dei batteri, passarono 200 anni prima che gli scienziati capissero il vero significato della scoperta.
Verso la fine del 1800, uno scienziato tedesco di nome Walther Flemming scoprì la divisione cellulare che, decenni dopo, ha contribuito a chiarire come cresce il cancro, una scoperta che sarebbe stata impossibile senza i microscopi.
“Se vuoi essere in grado di colpire una parte della membrana cellulare o un tumore, devi guardarlo”, dice Eliceiri.
Sebbene i microscopi originali che Hooke e Leeuwenhoek usassero potessero avere i loro limiti, la loro struttura di base di due lenti collegate da tubi è rimasta rilevante per secoli, afferma Eliceiri. Negli ultimi 15 anni, i progressi nellimaging si sono spostati in nuovi regni. Nel 2014, un team di ricercatori tedeschi e americani ha vinto il Premio Nobel per la chimica per un metodo chiamato microscopia a fluorescenza a super risoluzione, così potente che ora possiamo monitorare singole proteine mentre si sviluppano allinterno delle cellule. Il metodo ng, reso possibile attraverso una tecnica innovativa che rende i geni luminosi o “fluorescenti”, ha potenziali applicazioni nella lotta a malattie come il Parkinson e lAlzheimer.
Ruzin dirige il Biological Imaging Facility presso lUniversità della California a Berkeley, dove i ricercatori usano la tecnologia per esplorare tutto, da microstrutture allinterno del parassita Giardia e disposizioni delle proteine allinterno dei batteri. Per contribuire a inserire nel contesto la ricerca microscopica moderna, si impegna a condividere alcuni degli oggetti più antichi della Collezione Golub, una delle più grandi collezioni esposte pubblicamente al mondo, contenente 164 microscopi antichi risalenti al XVII secolo, con il suo studente universitario studenti. Lascia persino che si occupino di alcuni dei più antichi della collezione, tra cui uno italiano realizzato in avorio intorno al 1660.
“Dico” non focalizzarlo perché si romperà “, ma lascio che gli studenti guardino attraverso di esso, e in un certo senso lo riporta a casa “, afferma Ruzin.
Tuttavia, nonostante la potenza della microscopia a super risoluzione, pone nuove sfide. Ad esempio, ogni volta che un campione si muove ad alta risoluzione , limmagine si offusca, dice Ruzin. “Se una cellula vibra solo per movimento termico, rimbalzando da molecole dacqua che la colpiscono perché sono calde, questo ucciderà la super risoluzione perché richiede tempo”, dice Ruzin. (Per questo motivo, i ricercatori generalmente non usano la microscopia a super risoluzione per studiare campioni vivi.)
Ma la tecnologia come Mesolens di Amos, con un ingrandimento molto più basso di appena 4x ma un campo visivo molto più ampio in grado di catturare fino a 5 mm, o circa la larghezza di ununghia mignolo, può visualizzare campioni vivi. Ciò significa che possono osservare lo sviluppo di un embrione di topo in tempo reale, seguendo i geni associati alla malattia vascolare nei neonati man mano che vengono incorporati nellembrione. Prima di questo, gli scienziati usavano i raggi X per studiare le malattie vascolari negli embrioni, ma non avrebbero ottenuto dettagli fino al livello cellulare come fanno con i Mesolens, dice Amos.
“È quasi inaudito per chiunque progettasse una nuova lente obiettiva per microscopia ottica e lo abbiamo fatto per cercare di accogliere i nuovi tipi di campioni che i biologi vogliono studiare “, afferma la collega di Amos Gail McConnell dellUniversità di Strathclyde Glasgow, spiegando che gli scienziati sono interessati a studiano organismi intatti ma non vogliono compromettere la quantità di dettagli che possono vedere.
Finora, lindustria dellarchiviazione dei dati ha espresso interesse nellusare i Mesolens per studiare i materiali semiconduttori e membri dellindustria petrolifera sono stati interessati a utilizzarlo per ottenere immagini di materiali da potenziali siti di perforazione. Il design della lente cattura la luce particolarmente bene, consentendo ai ricercatori di osservare i dettagli intricati che si sviluppano come le cellule di un tumore in metastasi che migrano verso lesterno. Ma la vera potenza l di queste nuove tecniche resta da vedere.
“Se sviluppi un obiettivo diverso da qualsiasi cosa è stato fatto negli ultimi 100 anni, si aprono tutti i tipi di possibilità sconosciute”, dice Amos. “Stiamo appena iniziando a capire quali sono queste possibilità.”
Nota delleditore, 31 marzo 2017: questo post è stato modificato per riflettere che Leeuwenhoek non ha migliorato il microscopio composto e che la collezione di Ruzin risale al 17 ° secolo.
