Brad Amos har tillbringat större delen av sitt liv med att tänka på och titta in i små världar. Nu 71 år gammal arbetar han som gästprofessor vid University of Strathclyde i Skottland där han leder ett forskargrupp som utformar en extremt stor ny mikroskoplins – ungefär längden och bredden på en mänsklig arm. De så kallade Mesolens är så kraftfulla att de kan ta bilder av hela tumörer eller musembryon i ett synfält samtidigt som de avbildar cellernas insidor.
”Det har den stora täckningen av en fotografisk kameralins och den fina upplösningen av mikroskopobjektet, så det har fördelarna med de två tillvägagångssätten”, säger Amos. ”Bilderna är extremt användbara.”
Idag arbetar mikroskopister som Amos runt om i världen för att förnya ny teknik med omfattande tillämpningar inom medicin och människors hälsa. Men dessa banbrytande framsteg går tillbaka till de allra första mikroskopen som byggdes på 1500- och 1600-talet. Medan banbrytande för tiden, skulle de inte imponera dig mycket; det var inte mycket starkare än ett handhållet förstoringsglas.
Amos har varit besatt av även dessa enklaste mikroskop ända sedan han fick ett för en födelsedag som barn. Hans intriger i mikroskopiska världar blev omättliga när han utforskade allt han kunde hitta, från kraften i små, poppande bubblor till hur koppar gjutna under en nålsticka. ”Det är som lekdeg, det kan vara väldigt mjukt”, säger Amos om koppar. Han beskriver sin vördnad över de fenomen som han upptäckte under ramen som han inte kunde se med blotta ögon: ”Du studerar en värld som inte inte ens lyda samma regler för perception. ”
Denna typ av nyfikenhet i början av små världar drev mikroskopi från dess början. Ett holländskt far-son-team vid namn Hans och Zacharias Janssen uppfann det första så kallade sammansatta mikroskopet i slutet av 1500-talet när de upptäckte att om de satte en lins längst upp och längst ner på ett rör och tittade igenom det, föremål på andra änden förstorades. Enheten lade kritisk grund för framtida genombrott, men förstorades bara med mellan 3x och 9x.
Bildkvaliteten var i bästa fall medelmåttig, säger Steven Ruzin, en mikroskopist och kurator för Golub Microscope Collection vid University of California i Berkeley. ”Jag har avbildat genom dem och de är verkligen riktigt hemska”, säger Ruzin. ”Handlinserna var mycket bättre.”
Även om de gav förstoring kunde de första sammansatta mikroskopen inte öka upplösningen, så förstorad bilder verkade suddiga och dolda. Som ett resultat kom inga betydande vetenskapliga genombrott från dem på cirka 100 år, säger Ruzin.
Men i slutet av 1600-talet ökade förbättringarna av linserna bildens kvalitet och förstoringseffekten till upp till 270 gånger , banar väg för stora upptäckter. År 1667 publicerade den engelska naturvetaren Robert Hooke berömt sin bok Micrographia med invecklade teckningar av hundratals exemplar han observerade, inklusive distinkta sektioner inom grenen av en örtartad växt. Han kallade sektionerna celler eftersom de påminde honom om celler i ett kloster – och blev därmed far till cellulär biologi.
År 1676 förbättrade den holländska tyghandlare som blev vetenskapsman Antony van Leeuwenhoek mikroskopet ytterligare med avsikten att se vid tyget som han sålde, men av misstag gjorde den banbrytande upptäckten att bakterier finns. Hans oavsiktliga upptäckt öppnade upp området för mikrobiologi och grunden för modern medicin; nästan 200 år senare skulle den franska forskaren Louis Pasteur fastställa att bakterier var orsaken bakom många sjukdomar (innan det trodde många forskare på miasma-teorin att ruttna luft och dålig lukt gjorde oss sjuka.
”Det var enorm, säger Kevin Eliceiri, mikroskop vid University of Wisconsin Madison, om den första upptäckten av bakterier. ”Det var mycket förvirring om vad som gjorde dig sjuk. Tanken att det finns bakterier och saker i vattnet var en av de största upptäckterna någonsin. ”
Nästa år, 1677, gjorde Leeuwenhoek ytterligare ett kännetecken när han identifierade mänsklig sperma för första gången. En medicinstudent hade fört honom utlösning av en gonorrépatient för att studera under hans mikroskop. Leeuwenhoek var tvungen att upptäcka småstjärtade djur och fortsatte med att hitta samma vridande ”animalcules” i sitt eget spermaprov.Han publicerade dessa banbrytande resultat, men som det var fallet för bakterier, gick 200 år innan forskarna förstod den verkliga betydelsen av upptäckten.
I slutet av 1800-talet upptäckte en tysk forskare vid namn Walther Flemming celldelning som, decennier senare, hjälpte till att klargöra hur cancer växer – ett resultat som hade varit omöjligt utan mikroskop.
”Om du vill kunna rikta in dig på en del av cellmembranet eller en tumör måste du titta på det,” säger Eliceiri.
Även om de ursprungliga mikroskopen som Hooke och Leeuwenhoek använde kan ha haft sina begränsningar, förblev deras grundläggande struktur för två linser anslutna med rör relevanta i århundraden, säger Eliceiri. Under de senaste 15 åren har framsteg gjorts inom bildåtergivning har flyttat in i nya världar. 2014 vann ett team av tyska och amerikanska forskare Nobelpriset i kemi för en metod som kallas superupplösningsfluorescensmikroskopi, så kraftfull att vi nu kan spåra enskilda proteiner när de utvecklas i celler. ng-metoden, möjliggjort genom en innovativ teknik som får gener att lysa eller ”fluorescera”, har potentiella tillämpningar för att bekämpa sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers.
Ruzin är chef för Biological Imaging Facility vid University of California i Berkeley, där forskare använder tekniken för att utforska allt från mikrostrukturer i Giardia-parasiten och arrangemang av proteiner i bakterier. För att hjälpa till med modern mikroskopiforskning i sitt sammanhang gör han en poäng att dela några av de äldsta föremålen från Golub-samlingen – en av de största offentligt visade samlingarna i världen, som innehåller 164 antika mikroskop med anor från 1600-talet – med sin grundutbildning. studenter. Han låter till och med hantera några av de äldsta i samlingen, inklusive en italiensk gjord av elfenben omkring 1660.
”Jag säger” fokusera inte på den för att den kommer att gå sönder ”, men jag låter eleverna titta genom det, och det slags tar det hem, säger Ruzin.
Ändå, trots kraften i superupplösningsmikroskopi, innebär det nya utmaningar. Till exempel när som helst ett prov rör sig under hög upplösning , bilden suddar ut, säger Ruzin. ”Om en cell vibrerar bara genom termisk rörelse och studsar runt av vattenmolekyler som träffar den för att de är varma, dödar detta superupplösningen eftersom det tar tid”, säger Ruzin. (Av denna anledning använder forskare i allmänhet inte superupplösningsmikroskopi för att studera levande prover.)
Men teknik som Amos Mesolens – med en mycket lägre förstoring på bara 4 gånger men ett mycket bredare synfält kan fånga upp till 5 mm, eller ungefär bredden på en rosa nagel – kan avbilda levande exemplar. Detta innebär att de kan se ett embryo från mus utvecklas i realtid, efter gener som är associerade med kärlsjukdom hos nyfödda när de införlivas i embryot. Innan detta skulle forskare använda röntgenstrålar för att studera kärlsjukdomar i embryon, men skulle inte få detaljer ned till mobilnivån som de gör med Mesolens, säger Amos.
”Det är nästan okänt för alla att utforma en ny objektivlins för ljusmikroskopi och vi har gjort detta för att försöka tillgodose de nya typerna av exemplar som biologer vill studera, säger Amos kollega Gail McConnell vid University of Strathclyde Glasgow och förklarar att forskare är intresserade av studera intakta organismer men vill inte äventyra mängden detaljer de kan se.
Hittills har datalagringsindustrin uttryckt intresse för att använda Mesolens för att studera halvledarmaterial och medlemmar av oljeindustrin har varit intresserade av att använda den för att avbilda material från potentiella borrplatser. Linsdesignen hämtar ljuset särskilt bra, så att forskare kan se komplicerade detaljer utvecklas som celler i en metastaserande tumör som migrerar utåt. Men den verkliga potentien En av dessa nya tekniker återstår att se.
”Om du utvecklar ett annat mål än något som har gjorts under de senaste 100 åren, öppnar det alla möjliga okända möjligheter”, säger Amos. ”Vi har precis börjat ta reda på vad dessa möjligheter är.”
Redaktörens anmärkning, 31 mars 2017: Detta inlägg har redigerats för att spegla att Leeuwenhoek inte förbättrade det sammansatta mikroskopet och att Ruzins samling går tillbaka till 1600-talet.
