Brad Amos har brukt mesteparten av livet på å tenke på og se på små verdener. Nå 71 år gammel jobber han som gjesteprofessor ved University of Strathclyde i Skottland hvor han leder et team av forskere som designer en ekstremt stor ny mikroskoplinse – omtrent lengden og bredden på en menneskelig arm. De såkalte Mesolens ble kåret til et av de ti første gjennombruddene i Physics World i 2016, og er så kraftige at de kan avbilde hele svulster eller musembryoer i ett synsfelt samtidig som de avbilder innsiden av celler. div>
«Den har stor dekning av et fotografisk kameralinse og den fine oppløsningen til mikroskopobjektet, så det har fordelene med de to tilnærmingene,» sier Amos. «Bildene er ekstremt nyttige.»
I dag jobber mikroskopister som Amos rundt om i verden for å innovere ny teknologi med omfattende applikasjoner innen medisin og menneskers helse. Men disse banebrytende fremskrittene sporer alle tilbake til de aller første mikroskopene som ble bygget på 1500- og 1600-tallet. Mens de var banebrytende for tiden, ville de ikke imponere deg mye; som ikke var mye sterkere enn et håndholdt forstørrelsesglass.
Amos har vært besatt av selv disse enkleste mikroskopene helt siden han fikk en til bursdag som barn. Intrigen hans i mikroskopiske verdener ble umettelig da han utforsket alt han kunne finne, fra kraften i små, poppende bobler til måten kobberstøpninger ble støpt under nålestikket. «Det er som lekedeig, det kan være veldig mykt,» sier Amos om kobber. Han beskriver sin ærefrykt over fenomenene han oppdaget under omfanget som han ikke kunne se med de blotte øynene: «Du studerer en verden som ikke t adlyder til og med de samme oppfatningsreglene. ”
Denne typen nysgjerrighet i begynnelsen av små verdener drev mikroskopi fra starten. Et nederlandsk far-sønn-team ved navn Hans og Zacharias Janssen oppfant det første såkalte sammensatte mikroskopet på slutten av 1500-tallet da de oppdaget at hvis de satte en linse på toppen og bunnen av et rør og så gjennom det, gjenstander på den andre enden ble forstørret. Enheten la kritisk grunnlag for fremtidige gjennombrudd, men forstørres bare med mellom 3x og 9x.
Bildekvaliteten var i beste fall middelmådig, sier Steven Ruzin, mikroskopist og kurator for Golub Microscope Collection ved University of California i Berkeley. «Jeg har tatt bilder av dem, og de er virkelig ganske forferdelige,» sier Ruzin. «Håndlinsene var mye bedre.»
Selv om de ga forstørrelse, kunne ikke disse første sammensatte mikroskopene øke oppløsningen, så forstørret bildene virket uskarpe og tilslørede. Som et resultat kom ingen signifikante vitenskapelige gjennombrudd fra dem på omtrent 100 år, sier Ruzin.
Men på slutten av 1600-tallet økte forbedringene av linsene kvaliteten på bildet og forstørrelseseffekten til opptil 270 ganger. , baner vei for store funn. I 1667 publiserte den engelske naturforskeren Robert Hooke sin bok Micrographia med intrikate tegninger av hundrevis av eksemplarer han observerte, inkludert forskjellige seksjoner innenfor grenen av en urteaktig plante. Han kalte seksjonene celler fordi de minnet ham om celler i et kloster – og ble dermed far til cellulær biologi.
I 1676 forbedret den nederlandske stoffhandler-forskeren Antony van Leeuwenhoek mikroskopet ytterligere med den hensikt å se på kluten som han solgte, men utilsiktet gjorde det banebrytende funnet at bakterier eksisterer. Hans tilfeldige funn åpnet feltet for mikrobiologi og grunnlaget for moderne medisin; nesten 200 år senere ville den franske forskeren Louis Pasteur fastslå at bakterier var årsaken bak mange sykdommer (før det, mange forskere trodde på miasma-teorien om at råtten luft og dårlig lukt gjorde oss syke).
«Det var enorm, «sier Kevin Eliceiri, mikroskopist ved University of Wisconsin Madison, om den første oppdagelsen av bakterier.» Det var mye forvirring om hva som gjorde deg syk. Tanken om at det er bakterier og ting i vannet var en av de største oppdagelsene noensinne. ”
Neste år, i 1677, gjorde Leeuwenhoek et nytt kjennetegn da han identifiserte menneskelig sædceller for første gang. En medisinstudent hadde ført ham utløsning av en gonorépasient for å studere under mikroskopet hans. Leeuwenhoek forpliktet, oppdaget små haledyr og fortsatte med å finne de samme vridende «animalcules» i sin egen sædprøve.Han publiserte disse banebrytende funnene, men som det var tilfelle for bakterier, gikk det 200 år før forskere forsto den sanne betydningen av oppdagelsen.
På slutten av 1800-tallet oppdaget en tysk forsker ved navn Walther Flemming celledeling som, flere tiår senere, bidro til å avklare hvordan kreft vokser – et funn som ville vært umulig uten mikroskop.
«Hvis du vil være i stand til å målrette mot en del av cellemembranen eller en svulst, må du se på den,» sier Eliceiri.
Selv om de originale mikroskopene som Hooke og Leeuwenhoek brukte kan ha hatt sine begrensninger, forble deres grunnleggende struktur av to linser forbundet med et rør relevant i århundrer, sier Eliceiri. I løpet av de siste 15 årene har fremskrittet gått i bildebehandling har flyttet inn i nye riker. I 2014 vant et team av tyske og amerikanske forskere Nobelprisen i kjemi for en metode som kalles superoppløsnings fluorescensmikroskopi, så kraftig at vi nå kan spore enkeltproteiner når de utvikler seg i cellene. ng-metoden, mulig gjennom en innovativ teknikk som får gener til å lyse eller «fluorescere», har potensielle anvendelser i bekjempelse av sykdommer som Parkinsons og Alzheimers.
Ruzin leder Biological Imaging Facility ved University of California i Berkeley, hvor forskere bruker teknologien til å utforske alt fra mikrostrukturer i Giardia-parasitten og ordninger av proteiner i bakterier. For å bidra til å bringe moderne mikroskopiforskning i sammenheng, gjør han et poeng av å dele noen av de eldste gjenstandene fra Golub-samlingen – en av de største offentlig viste samlingene i verden, som inneholder 164 antikke mikroskoper som dateres tilbake til 1600-tallet – med sin undergraduate studenter. Han lar dem til og med håndtere noen av de eldste i samlingen, inkludert en italiensk som er laget av elfenben rundt 1660.
«Jeg sier» ikke fokuser det fordi det vil gå i stykker, «men jeg lar elevene se gjennom den, og den slags bringer den hjem, «sier Ruzin.
Likevel, til tross for kraften til superoppløsningsmikroskopi, gir den nye utfordringer. For eksempel, når som helst et eksemplar beveger seg under høy oppløsning , bildet blir uskarpt, sier Ruzin. «Hvis en celle vibrerer bare ved termisk bevegelse og spretter rundt av vannmolekyler som treffer den fordi de er varme, vil dette drepe superoppløsningen fordi det tar tid,» sier Ruzin. (Av denne grunn bruker ikke forskere vanligvis superoppløsningsmikroskopi for å studere levende prøver.)
Men teknologi som Amos Mesolens – med en mye lavere forstørrelse på bare 4 ganger, men et mye bredere synsfelt. som er i stand til å fange opptil 5 mm, eller omtrent bredden på en pinky negl – kan bilde levende prøve. Dette betyr at de kan se et musembryo utvikle seg i sanntid, etter gener assosiert med vaskulær sykdom hos nyfødte når de blir innlemmet i embryoet. Før dette ville forskere bruke røntgenstråler for å studere vaskulær sykdom i embryoer, men ville ikke få detaljer ned til mobilnivået slik de gjør med Mesolens, sier Amos.
«Det er nesten uhørt for alle å designe en ny objektivlinse for lysmikroskopi, og vi har gjort dette for å prøve å imøtekomme de nye typene eksemplarer som biologer vil studere, ”sier Amos kollega Gail McConnell ved University of Strathclyde Glasgow, og forklarer at forskere er interessert i studerer intakte organismer, men ønsker ikke å gå på kompromiss med hvor detaljene de kan se.
Så langt har datalagringsindustrien uttrykt interesse for å bruke Mesolens til å studere halvledermaterialer, og medlemmer av oljeindustrien. har vært interessert i å bruke den til å avbilde materialer fra potensielle boresteder. Linsedesignet tar lys spesielt godt opp, slik at forskere kan se kompliserte detaljer utfolde seg, for eksempel celler i en metastaserende svulst som migrerer utover. En av disse nye teknikkene gjenstår å se.
«Hvis du utvikler et annet mål enn noe som har blitt laget de siste 100 årene, åpner det alle slags ukjente muligheter,» sier Amos. «Vi begynner akkurat å forstå hva disse mulighetene er.»
Redaktørens merknad 31. mars 2017: Dette innlegget er redigert for å gjenspeile at Leeuwenhoek ikke forbedret det sammensatte mikroskopet, og at Ruzins samling stammer fra 1600-tallet.
