Brad Amos passou a maior parte de sua vida pensando e olhando para mundos minúsculos. Agora com 71 anos de idade, ele trabalha como professor visitante na Universidade de Strathclyde, na Escócia, onde lidera uma equipe de pesquisadores que projeta uma nova lente de microscópio extremamente grande – do tamanho e da largura de um braço humano. Considerado um dos dez maiores avanços do mundo da física de 2016, o chamado Mesolens é tão poderoso que pode gerar imagens de tumores inteiros ou embriões de camundongos em um campo de visão ao mesmo tempo em que visualiza o interior das células.
“Ele tem a grande cobertura de uma lente de câmera fotográfica e a resolução fina da objetiva do microscópio, por isso tem as vantagens das duas abordagens”, diz Amos. “As imagens são extremamente úteis.”
Hoje, microscopistas como Amos estão trabalhando em todo o mundo para inovar novas tecnologias com aplicações generalizadas na medicina e na saúde humana. Mas todos esses avanços de ponta remontam aos primeiros microscópios construídos nos séculos 16 e 17. Embora sejam de ponta para a época, eles não o impressionariam muito; que não eram muito mais fortes do que uma lente de aumento de mão.
Amos é obcecado até por esses microscópios mais simples desde que ganhou um de aniversário quando criança. Sua intriga em mundos microscópicos se tornou insaciável à medida que ele explorava tudo o que podia encontrar, desde a força dentro de pequenas bolhas estourando até a forma como pedaços de cobre se moldavam sob o golpe de uma agulha. “É como massa de farinha, pode ser muito macia”, diz Amos sobre o cobre. Ele descreve sua admiração pelos fenômenos que descobriu sob a forma que não podia ver com seus próprios olhos: “Você está estudando um mundo que não nem obedeço às mesmas regras de percepção. ”
Esse tipo de curiosidade nos acontecimentos de mundos minúsculos impulsionou a microscopia desde o seu início. Uma equipe holandesa de pai e filho chamada Hans e Zacharias Janssen inventou o primeiro microscópio composto no final do século 16 quando descobriram que, se colocassem uma lente na parte superior e inferior de um tubo e olhassem através dele, os objetos no a outra extremidade foi ampliada. O dispositivo estabeleceu uma base crítica para descobertas futuras, mas apenas ampliada entre 3x e 9x.
A qualidade da imagem era, na melhor das hipóteses, medíocre, diz Steven Ruzin, microscopista e curador da Coleção de Microscópio Golub no Universidade da Califórnia em Berkeley. “Eu imaginei através deles e eles são realmente horríveis”, diz Ruzin. “As lentes de mão eram muito melhores.”
Embora fornecessem ampliação, esses primeiros microscópios compostos não podiam aumentar a resolução, então ampliados as imagens pareciam borradas e obscurecidas. Como resultado, nenhuma descoberta científica significativa veio deles por cerca de 100 anos, diz Ruzin.
Mas, no final dos anos 1600, as melhorias nas lentes aumentaram a qualidade da imagem e o poder de ampliação em até 270 vezes , abrindo caminho para grandes descobertas. Em 1667, o cientista natural inglês Robert Hooke publicou o famoso livro Micrographia com desenhos intrincados de centenas de espécimes que observou, incluindo seções distintas dentro do ramo de uma planta herbácea. Ele chamou as seções de células porque elas o lembravam de células em um mosteiro – e assim se tornou o pai da biologia celular.
Em 1676, o comerciante de tecidos holandês que se tornou cientista Antony van Leeuwenhoek melhorou ainda mais o microscópio com a intenção de olhar com o pano que ele vendeu, mas inadvertidamente fez a descoberta inovadora de que a bactéria existe. Sua descoberta acidental abriu o campo da microbiologia e a base da medicina moderna; quase 200 anos depois, o cientista francês Louis Pasteur determinaria que as bactérias eram a causa de muitas doenças (antes disso, muitos cientistas acreditavam na teoria do miasma de que o ar estragado e os odores desagradáveis nos deixavam doentes).
“É foi enorme ”, diz Kevin Eliceiri, um microscopista da Universidade de Wisconsin Madison, sobre a descoberta inicial da bactéria.“ Havia muita confusão sobre o que deixava você doente. A ideia de que existem bactérias e coisas na água foi uma das maiores descobertas de todos os tempos. ”
No ano seguinte, em 1677, Leeuwenhoek fez outra descoberta marcante quando identificou o esperma humano pela primeira vez. Um estudante de medicina trouxe para ele a ejaculação de um paciente com gonorreia para estudar sob seu microscópio. Leeuwenhoek obedeceu, descobriu minúsculos animais com cauda e continuou a encontrar os mesmos “animálculos” contorcidos em sua própria amostra de sêmen.Ele publicou essas descobertas inovadoras, mas, como foi o caso das bactérias, 200 anos se passaram antes que os cientistas entendessem o verdadeiro significado da descoberta.
No final dos anos 1800, um cientista alemão chamado Walther Flemming descobriu a divisão celular que, décadas depois, ajudou a esclarecer como o câncer cresce – uma descoberta que teria sido impossível sem microscópios.
“Se você deseja ser capaz de atingir parte da membrana celular ou um tumor, você precisa observar”, diz Eliceiri.
Embora os microscópios originais que Hooke e Leeuwenhoek usaram possam ter suas limitações, sua estrutura básica de duas lentes conectadas por tubos permaneceu relevante por séculos, diz Eliceiri. Nos últimos 15 anos, avanços em imagens mudaram para novos domínios. Em 2014, uma equipe de pesquisadores alemães e americanos ganhou o Prêmio Nobel de Química por um método chamado microscopia de fluorescência de super-resolução, tão poderosa que agora podemos rastrear proteínas únicas conforme elas se desenvolvem dentro das células. Isso evolui Esse método, tornado possível por meio de uma técnica inovadora que faz os genes brilharem ou “fluorescem”, tem aplicações potenciais no combate a doenças como Parkinson e Alzheimer.
Ruzin chefia o Biological Imaging Facility da Universidade da Califórnia em Berkeley, onde os pesquisadores usam a tecnologia para explorar tudo, desde microestruturas dentro do parasita Giardia e arranjos de proteínas dentro das bactérias. Para ajudar a contextualizar a pesquisa de microscopia moderna, ele faz questão de compartilhar alguns dos itens mais antigos da Coleção Golub – uma das maiores coleções exibidas publicamente no mundo, contendo 164 microscópios antigos que datam do século 17 – com seu aluno de graduação alunos. Ele até permite que eles manuseiem alguns dos mais antigos da coleção, incluindo um italiano feito de marfim por volta de 1660.
“Eu digo não foque porque vai quebrar, mas deixo os alunos olharem através dele, e meio que o traz para casa ”, diz Ruzin.
Ainda assim, apesar do poder da microscopia de super-resolução, ela apresenta novos desafios. Por exemplo, sempre que um espécime se move em alta resolução , a imagem fica embaçada, diz Ruzin. “Se uma célula vibra apenas por movimento térmico, saltando pelas moléculas de água que a atingem porque estão quentes, isso vai matar a super resolução porque leva tempo”, diz Ruzin. (Por esse motivo, os pesquisadores geralmente não usam microscopia de super-resolução para estudar amostras vivas.)
Mas tecnologia como Amos Mesolens – com uma ampliação muito menor de apenas 4x, mas um campo de visão muito mais amplo capaz de capturar até 5 mm, ou aproximadamente a largura de uma unha mindinho – pode obter imagens de espécimes vivos. Isso significa que eles podem observar o desenvolvimento de um embrião de camundongo em tempo real, acompanhando genes associados a doenças vasculares em recém-nascidos à medida que são incorporados ao embrião. Antes disso, os cientistas usavam raios-X para estudar doenças vasculares em embriões, mas não iriam detalhar até o nível celular como fazem com os Mesolens, diz Amos.
“É quase inédito para qualquer um projetar uma nova lente objetiva para microscopia de luz e fizemos isso para tentar acomodar os novos tipos de espécimes que os biólogos querem estudar ”, disse a colega de Amos, Gail McConnell, da University of Strathclyde Glasgow, explicando que os cientistas estão interessados em estudando organismos intactos, mas não quer comprometer a quantidade de detalhes que eles podem ver.
Até agora, a indústria de armazenamento de dados expressou interesse em usar o Mesolens para estudar materiais semicondutores, e membros da indústria de petróleo estiveram interessados em usá-lo para obter imagens de materiais de possíveis locais de perfuração. O design da lente capta a luz particularmente bem, permitindo aos pesquisadores observar o desdobramento de detalhes intrincados, como células em um tumor em metástase migrando para fora. Mas o verdadeiro potencial l dessas novas técnicas ainda está para ser visto.
“Se você desenvolver um objetivo diferente de tudo o que foi feito nos últimos 100 anos, ele abre todos os tipos de possibilidades desconhecidas”, diz Amos. “Estamos apenas começando a descobrir quais são essas possibilidades.”
Nota do editor, 31 de março de 2017: Esta postagem foi editada para refletir que Leeuwenhoek não melhorou o microscópio composto e que a coleção de Ruzin remonta ao século 17.
