Brad Amos heeft het grootste deel van zijn leven over kleine werelden nagedacht en ernaar gekeken. Nu 71 jaar oud, werkt hij als gasthoogleraar aan de Universiteit van Strathclyde in Schotland, waar hij leiding geeft aan een team van onderzoekers die een extreem grote nieuwe microscooplens ontwerpen – ongeveer zo lang en breed als een menselijke arm. De zogenaamde Mesolens, uitgeroepen tot een van de top tien doorbraken van Physics World van 2016, is zo krachtig dat het hele tumoren of muizenembryos in één gezichtsveld kan afbeelden en tegelijkertijd de binnenkant van cellen kan afbeelden.
“Het heeft de grote dekking van een fotografische cameralens en de fijne resolutie van het microscoopobjectief, dus het heeft de voordelen van de twee benaderingen”, zegt Amos. “De beelden zijn buitengewoon nuttig.”
Tegenwoordig werken microscopisten zoals Amos over de hele wereld aan het innoveren van nieuwe technologieën met wijdverbreide toepassingen in de geneeskunde en de menselijke gezondheid. Maar deze baanbrekende ontwikkelingen gaan allemaal terug naar de allereerste microscopen die in de 16e en 17e eeuw werden gebouwd. Hoewel ze voor die tijd geavanceerd waren, zouden ze niet veel indruk op je maken; die niet veel sterker waren dan een vergrootglas in de hand.
Amos is geobsedeerd door zelfs deze eenvoudigste microscopen sinds hij er als kind een kreeg voor een verjaardag. Zijn intriges in microscopisch kleine werelden werden onverzadigbaar toen hij alles verkende wat hij kon vinden, van de kracht in kleine, knallende belletjes tot de manier waarop stukjes koper onder de por van een naald werden gevormd. “Het is net als deeg, het kan heel zacht zijn”, zegt Amos over koper. Hij beschrijft zijn ontzag voor de verschijnselen die hij ontdekte onder de scope die hij niet met zijn blote ogen kon zien: “Je bestudeert een wereld die dat niet doet. zelfs niet dezelfde waarnemingsregels gehoorzamen. ”
Dit soort nieuwsgierigheid naar de gang van zaken in kleine werelden dreef vanaf het begin microscopie voort. Een Nederlands vader-zoon-team genaamd Hans en Zacharias Janssen vond de eerste zogenaamde samengestelde microscoop uit aan het eind van de 16e eeuw toen ze ontdekten dat, als ze een lens op de boven- en onderkant van een buis plaatsten en er doorheen keken, objecten op de het andere uiteinde werd vergroot. Het apparaat legde een cruciale basis voor toekomstige doorbraken, maar werd slechts met 3x tot 9x vergroot.
De kwaliteit van het beeld was op zijn best middelmatig, zegt Steven Ruzin, een microscopist en curator van de Golub Microscope Collection bij de Universiteit van Californië in Berkeley. “Ik heb er doorheen gefotografeerd en ze zijn echt heel vreselijk”, zegt Ruzin. “De handlenzen waren veel beter.”
Hoewel ze voor vergroting zorgden, konden deze eerste samengestelde microscopen de resolutie niet verhogen, dus vergroot beelden leken wazig en verduisterd. Als gevolg hiervan kwamen er ongeveer 100 jaar geen significante wetenschappelijke doorbraken uit hen, zegt Ruzin.
Maar tegen het einde van de 17e eeuw verhoogden verbeteringen aan de lenzen de kwaliteit van het beeld en het vergrotingsvermogen tot wel 270x , die de weg effenen voor grote ontdekkingen. In 1667 publiceerde de Engelse natuurwetenschapper Robert Hooke op beroemde wijze zijn boek Micrographia met ingewikkelde tekeningen van honderden exemplaren die hij observeerde, inclusief afzonderlijke secties binnen de tak van een kruidachtige plant. Hij noemde de secties cellen omdat ze hem deden denken aan cellen in een klooster – en zo de vader van de celbiologie werden.
In 1676 verbeterde de Nederlandse lakenhandelaar en wetenschapper Antony van Leeuwenhoek de microscoop verder met de bedoeling om te kijken op het doek dat hij verkocht, maar deed per ongeluk de baanbrekende ontdekking dat bacteriën bestaan. Zijn toevallige vondst opende het gebied van de microbiologie en de basis van de moderne geneeskunde; bijna 200 jaar later zou de Franse wetenschapper Louis Pasteur vaststellen dat bacteriën de oorzaak waren van vele ziekten (daarvoor geloofden veel wetenschappers in de miasmatheorie dat rotte lucht en slechte geuren ons ziek maakten).
” was enorm , zegt Kevin Eliceiri, een microscopist aan de Universiteit van Wisconsin Madison, over de eerste ontdekking van bacteriën. Er was veel verwarring over wat je ziek maakte. Het idee dat er bacteriën en dingen in het water zitten, was een van de grootste ontdekkingen ooit. ”
Het jaar daarop, in 1677, deed Leeuwenhoek een andere kenmerkende ontdekking toen hij voor de eerste keer menselijk sperma identificeerde. Een geneeskundestudent had hem het ejaculaat van een gonorroe-patiënt gebracht om onder zijn microscoop te bestuderen. Leeuwenhoek verplichtte zich, ontdekte diertjes met kleine staart en ging verder met het vinden van dezelfde kronkelende “diertjes” in zijn eigen spermastaal.Hij publiceerde deze baanbrekende bevindingen, maar, net als bij bacteriën, verstreek het 200 jaar voordat wetenschappers de ware betekenis van de ontdekking begrepen.
Tegen het einde van de 19e eeuw ontdekte een Duitse wetenschapper genaamd Walther Flemming celdeling die, decennia later duidelijk gemaakt hoe kanker groeit – een bevinding die zonder microscopen onmogelijk zou zijn geweest.
“Als je een deel van een celmembraan of een tumor wilt kunnen richten, moet je ernaar kijken”, zegt Eliceiri.
Hoewel de originele microscopen die Hooke en Leeuwenhoek gebruikten mogelijk hun beperkingen hadden, bleef hun basisstructuur van twee lenzen verbonden door een buisje eeuwenlang relevant, zegt Eliceiri. In de afgelopen 15 jaar is er vooruitgang geboekt. in beeldvorming zijn naar nieuwe gebieden verhuisd. In 2014 won een team van Duitse en Amerikaanse onderzoekers de Nobelprijs voor de chemie voor een methode die superresolutie fluorescentiemicroscopie wordt genoemd, zo krachtig dat we nu afzonderlijke eiwitten kunnen volgen terwijl ze zich in cellen ontwikkelen. ng-methode, mogelijk gemaakt door een innovatieve techniek die genen laat gloeien of “fluoresceren”, heeft potentiële toepassingen bij de bestrijding van ziekten zoals Parkinson en Alzheimer.
Ruzin leidt de Biological Imaging Facility van de University of California in Berkeley, waar onderzoekers de technologie gebruiken om alles te onderzoeken, van microstructuren binnen de Giardia-parasiet en arrangementen van eiwitten in bacteriën. Om modern microscopieonderzoek in context te helpen brengen, deelt hij enkele van de oudste items uit de Golub-collectie – een van de grootste publiekelijk tentoongestelde collecties ter wereld, met 164 antieke microscopen uit de 17e eeuw – met zijn student studenten. Hij laat ze zelfs een aantal van de oudste uit de collectie behandelen, waaronder een Italiaans exemplaar van ivoor rond 1660.
“Ik zeg focus het niet want het breekt, maar ik laat de leerlingen kijken erdoorheen, en het brengt het min of meer naar huis ”, zegt Ruzin.
Ondanks de kracht van superresolutiemicroscopie brengt het nieuwe uitdagingen met zich mee. Elke keer dat een specimen bijvoorbeeld beweegt met een hoge resolutie “Als een cel alleen trilt door thermische beweging, rond stuitert door watermoleculen die erop slaan omdat ze warm zijn, vervaagt het beeld, dan zal dat de superresolutie doden omdat het tijd kost”, zegt Ruzin. (Om deze reden gebruiken onderzoekers over het algemeen geen superresolutie microscopie om levende monsters te bestuderen.)
Maar technologie zoals Amos Mesolens – met een veel lagere vergroting van slechts 4x maar een veel breder gezichtsveld in staat tot 5 mm vast te leggen, of ongeveer de breedte van een pinkachtige vingernagel – kan levende exemplaren in beeld brengen. Dit betekent dat ze in realtime kunnen zien hoe een muizenembryo zich ontwikkelt, waarbij ze genen volgen die geassocieerd zijn met vasculaire aandoeningen bij pasgeborenen wanneer ze in het embryo worden opgenomen. Voordien gebruikten wetenschappers röntgenstralen om vaatziekten bij embryos te bestuderen, maar ze wilden geen details tot op celniveau krijgen, zoals bij de Mesolens, zegt Amos.
“Het is bijna ongehoord. voor iedereen om een nieuwe objectieflens voor lichtmicroscopie te ontwerpen en we hebben dit gedaan om te proberen ruimte te bieden aan de nieuwe soorten exemplaren die biologen willen bestuderen , zegt Amos collega Gail McConnell van de Universiteit van Strathclyde Glasgow, en legt uit dat wetenschappers geïnteresseerd zijn in bestuderen van intacte organismen, maar willen de hoeveelheid details die ze kunnen zien niet in gevaar brengen.
Tot dusver heeft de gegevensopslagindustrie interesse getoond in het gebruik van de Mesolens om halfgeleidermaterialen te bestuderen, en leden van de olie-industrie waren geïnteresseerd in het gebruik ervan om beeldmateriaal van potentiële boorlocaties af te beelden. Het lensontwerp neemt het licht bijzonder goed op, waardoor onderzoekers ingewikkelde details kunnen zien ontvouwen, zoals cellen in een metastaserende tumor die naar buiten migreren. Maar de echte potentia l van deze nieuwe technieken valt nog te bezien.
“Als je een ander doel ontwikkelt dan alles dat de afgelopen 100 jaar is gemaakt, opent dat allerlei onbekende mogelijkheden”, zegt Amos. “We beginnen net te begrijpen wat die mogelijkheden zijn.”
Noot van de redacteur, 31 maart 2017: dit bericht is aangepast om aan te geven dat Leeuwenhoek de samengestelde microscoop niet heeft verbeterd en dat de collectie van Ruzin dateert uit de 17e eeuw.
