Brad Amos spędził większość swojego życia myśląc o małych światach i zaglądając w nie. Obecnie ma 71 lat i pracuje jako profesor wizytujący na Uniwersytecie Strathclyde w Szkocji, gdzie kieruje zespołem naukowców projektujących niezwykle dużą nową soczewkę mikroskopu – o długości i szerokości ludzkiego ramienia. Nazwany jednym z dziesięciu największych przełomów fizyki 2016 roku, tak zwane mezoleny są tak potężne, że mogą obrazować całe guzy lub zarodki myszy w jednym polu widzenia, jednocześnie obrazując wnętrza komórek.
„Ma duże pokrycie obiektywu aparatu fotograficznego i wysoką rozdzielczość obiektywu mikroskopu, więc ma zalety dwóch podejść” – mówi Amos. „Obrazy są niezwykle przydatne”.
Obecnie mikroskopiści, tacy jak Amos, pracują na całym świecie nad wprowadzaniem innowacji do nowych technologii o szerokim zastosowaniu w medycynie i zdrowiu ludzkim. Ale te przełomowe osiągnięcia mają swoje korzenie w pierwszych mikroskopach zbudowanych w XVI i XVII wieku. Choć jak na razie nowatorskie, nie zrobiłyby na tobie dużego wrażenia; które nie były dużo silniejsze niż podręczne szkło powiększające.
Amos miał obsesję na punkcie nawet tych najprostszych mikroskopów, odkąd dostał go na urodziny jako dziecko. Jego intrygi w mikroskopijnych światach stały się nienasycone, gdy badał wszystko, co mógł znaleźć, od siły w małych, pękających bąbelkach po sposób, w jaki kawałki miedzi formowały się pod naciskiem igły. „To jest jak ciasto do zabawy, może być bardzo miękkie” – mówi Amos o miedzi. Opisuje swój podziw dla zjawisk, które odkrył pod lunetą, których nie mógł zobaczyć gołymi oczami: „Badasz świat, który nie Nie przestrzegaj nawet tych samych zasad percepcji ”.
Ten rodzaj ciekawości w życiu małych światów napędzał mikroskopię od samego początku. Holenderski zespół ojciec-syn Hans i Zacharias Janssen wynaleźli pierwszy tak zwany mikroskop złożony pod koniec XVI wieku, kiedy odkryli, że jeśli umieścili soczewkę na górze i na dole tuby i spojrzeli przez nią, przedmioty na drugi koniec został powiększony. Urządzenie położyło fundamenty pod przyszłe przełomowe odkrycia, ale zostało powiększone tylko od 3x do 9x.
Jakość obrazu była w najlepszym razie mierna, mówi Steven Ruzin, mikroskopista i kustosz Golub Microscope Collection w Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley. „Obejrzałem je i są one naprawdę okropne” – mówi Ruzin. „Soczewki ręczne były znacznie lepsze”.
Chociaż zapewniały powiększenie, te pierwsze mikroskopy złożone nie mogły zwiększyć rozdzielczości, więc obrazy wydawały się zamazane i zaciemnione. W rezultacie od około 100 lat nie nastąpiły od nich żadne znaczące przełomy naukowe, mówi Ruzin.
Jednak pod koniec XVII wieku ulepszenia soczewek poprawiły jakość obrazu i powiększenie do 270x. torując drogę do wielkich odkryć. W 1667 roku angielski przyrodnik Robert Hooke opublikował słynną książkę Micrographia, zawierającą skomplikowane rysunki setek okazów, które zaobserwował, w tym odrębne sekcje w gałęzi rośliny zielnej. Nazwał sekcje komórkami, ponieważ przypominały mu komórki w klasztorze – i tym samym stał się ojcem biologii komórkowej.
W 1676 roku, holenderski handlarz tkanin, który stał się naukowcem, Antony van Leeuwenhoek, udoskonalił mikroskop z zamiarem przyjrzenia się na sprzedawanym przez siebie materiale, ale nieumyślnie dokonał przełomowego odkrycia, że bakterie istnieją. Jego przypadkowe odkrycie otworzyło pole mikrobiologii i podstawy współczesnej medycyny; prawie 200 lat później francuski naukowiec Louis Pasteur ustalił, że przyczyną wielu chorób są bakterie (przedtem wielu naukowców wierzyło w teorię miazmy, według której zgniłe powietrze i brzydkie zapachy powodują choroby).
„To był ogromny ”, mówi Kevin Eliceiri, mikroskop z University of Wisconsin Madison, o pierwszym odkryciu bakterii.„ Było wiele zamieszania co do tego, co spowodowało u Ciebie chorobę. Pomysł, że w wodzie znajdują się bakterie i rzeczy, był jednym z największych odkryć w historii ”.
W następnym roku, w 1677, Leeuwenhoek dokonał kolejnego charakterystycznego odkrycia, kiedy po raz pierwszy zidentyfikował ludzkie plemniki. Student medycyny przyniósł mu ejakulat pacjenta z rzeżączką, aby zbadał go pod mikroskopem. Leeuwenhoek zgodził się, odkrył maleńkie ogoniaste zwierzęta i znalazł te same wijące się „zwierzęce ciałka” we własnej próbce nasienia.Opublikował te przełomowe odkrycia, ale tak jak w przypadku bakterii minęło 200 lat, zanim naukowcy zrozumieli prawdziwe znaczenie odkrycia.
Pod koniec XIX wieku niemiecki naukowiec Walther Flemming odkrył podział komórek, który: dziesięciolecia później pomogło wyjaśnić, jak rozwija się rak – odkrycie, które byłoby niemożliwe bez mikroskopów.
„Jeśli chcesz mieć możliwość namierzenia części błony komórkowej lub guza, musisz to obserwować”, mówi Eliceiri.
Chociaż oryginalne mikroskopy, których używali Hooke i Leeuwenhoek, mogły mieć swoje ograniczenia, ich podstawowa struktura dwóch soczewek połączonych rurkami pozostawała aktualna przez stulecia, mówi Eliceiri. W ciągu ostatnich 15 lat postęp w obrazowaniu przeniosły się do nowych dziedzin. W 2014 roku zespół niemieckich i amerykańskich naukowców zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za metodę zwaną mikroskopią fluorescencyjną w super rozdzielczości, tak potężną, że możemy teraz śledzić pojedyncze białka rozwijające się w komórkach. To ewoluuje ng, która jest możliwa dzięki innowacyjnej technice powodującej świecenie lub „fluorescencję” genów, ma potencjalne zastosowania w zwalczaniu chorób, takich jak choroba Parkinsona i Alzheimera.
Ruzin kieruje Zakładem Obrazowania Biologicznego na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, gdzie naukowcy wykorzystują tę technologię do badania wszystkiego, od mikrostruktury pasożyta Giardia i układy białek w bakteriach. Aby pomóc w przeniesieniu współczesnych badań mikroskopowych w kontekst, zwraca uwagę na udostępnienie swoim studentom niektórych z najstarszych przedmiotów z Kolekcji Golub – jednej z największych publicznie wystawianych kolekcji na świecie, zawierającej 164 zabytkowe mikroskopy z XVII wieku – studentów. Pozwalał im nawet obsłużyć niektóre z najstarszych w kolekcji, w tym włoską wykonaną z kości słoniowej około 1660 roku.
„Mówię„ nie skupiaj się, bo się zepsuje ”, ale pozwalam uczniom patrzeć przez nią i to jakby sprowadza ją do domu ”- mówi Ruzin.
Mimo to, pomimo potęgi mikroskopii w super rozdzielczości, stawia nowe wyzwania. Na przykład za każdym razem, gdy próbka porusza się z wysoką rozdzielczością , obraz rozmywa się, mówi Ruzin. „Jeśli komórka wibruje tylko w wyniku ruchu termicznego, odbijając się od uderzających w nią cząsteczek wody, ponieważ są ciepłe, zabije to super rozdzielczość, ponieważ wymaga czasu” – mówi Ruzin. (Z tego powodu badacze generalnie nie używają mikroskopii o wysokiej rozdzielczości do badania próbek na żywo).
Ale technologia taka jak Mesolens Amosa – z dużo mniejszym powiększeniem, zaledwie 4x, ale znacznie szerszym polem widzenia zdolny do przechwytywania do 5 mm lub mniej więcej szerokości małego paznokcia – umożliwia obrazowanie żywego okazu. Oznacza to, że mogą obserwować rozwój zarodka myszy w czasie rzeczywistym, śledząc geny związane z chorobami naczyniowymi u noworodków, gdy zostaną włączone do zarodka. Wcześniej naukowcy używali promieni rentgenowskich do badania chorób naczyniowych u zarodków, ale nie uzyskaliby szczegółowych informacji na poziomie komórkowym, jak to robią z mezolenami, mówi Amos.
„To prawie niespotykane dla każdego, kto zaprojektował nową soczewkę obiektywu do mikroskopii świetlnej. Zrobiliśmy to, aby spróbować dostosować się do nowych typów próbek, które biolodzy chcą badać ”- mówi koleżanka Amosa, Gail McConnell z University of Strathclyde Glasgow, wyjaśniając, że naukowcy są zainteresowani badanie nienaruszonych organizmów, ale nie chce narażać na szwank ilości szczegółów, które widzą.
Do tej pory branża przechowywania danych wyraziła zainteresowanie wykorzystaniem Mesolensów do badania materiałów półprzewodnikowych, a członkowie przemysłu naftowego byli zainteresowani wykorzystaniem go do obrazowania materiałów z potencjalnych miejsc wiercenia. Konstrukcja soczewki szczególnie dobrze wychwytuje światło, pozwalając naukowcom obserwować rozwijanie się skomplikowanych szczegółów, takich jak komórki w guzie z przerzutami migrujące na zewnątrz. Ale prawdziwy potencjał l z tych nowych technik dopiero się okaże.
„Jeśli rozwiniesz cel inny niż cokolwiek, co zostało stworzone przez ostatnie 100 lat, otworzy się on przed wszelkimi nieznanymi możliwościami” – mówi Amos. „Dopiero zaczynamy rozumieć, jakie są te możliwości”.
Uwaga redaktora, 31 marca 2017 r .: Ten post został zredagowany, aby odzwierciedlić fakt, że Leeuwenhoek nie ulepszył mikroskopu złożonego, a kolekcja Ruzina sięga XVII wieku.
