SĂ LĂUDĂM ACUM INVENȚIA MICROSCOPULUI

Brad Amos și-a petrecut cea mai mare parte a vieții gândindu-se și privind în lumi minuscule. Acum, în vârstă de 71 de ani, lucrează ca profesor invitat la Universitatea din Strathclyde, în Scoția, unde conduce o echipă de cercetători care proiectează o lentilă la microscop extrem de mare - despre lungimea și lățimea unui braț uman. Numită unul dintre cei mai buni zece descoperiri din Physics World din 2016, așa-numitul Mesolens este atât de puternic încât poate imagina tumori întregi sau embrioni de șoarece într-un câmp vizual în timp ce imaginează simultan interiorul celulelor.

Continut Asemanator

Videoclipuri câștigătoare a premiului Captură fascinantă, lume microscopică
O nouă tehnică aduce culoare la microscopul electronic Imagini ale celulelor
Microscoape timpurii au dezvăluit o nouă lume a micilor lucruri vii

„Are o acoperire mare a obiectivului unei camere foto și rezoluția fină a obiectivului microscopului, deci are avantajele celor două abordări”, spune Amos. „Imaginile sunt extrem de utile.”

Astăzi, microscopiști precum Amos lucrează în întreaga lume pentru a inova noile tehnologii cu aplicații răspândite în medicină și sănătatea umană. Dar aceste avansuri de ultimă oră se remarcă până la primele microscoape construite în secolele XVI și XVII. În timp ce sunt de ultimă oră, nu te-ar impresiona prea mult; că nu erau cu mult mai puternice decât o lupă de mână.

Amos a fost obsedat chiar și de cele mai simple dintre microscopuri de când a primit unul pentru o zi de naștere, ca copil. Intriga sa în lumile microscopice a devenit insaciabilă, în timp ce a explorat orice a putut găsi, de la forța din bulele minuscule, care au apărut până la modul în care bucățile de cupru s-au modelat sub poca unui ac. „Este ca și aluatul de joacă, poate fi foarte moale”, spune Amos despre cupru. Își descrie uimirea față de fenomenele pe care le-a descoperit în sfera de aplicare pe care nu le putea vedea cu ochii goi: „Tu studiezi o lume care nici măcar nu respectă aceleași reguli de percepție.”

Acest tip de curiozitate în ceea ce privește evoluția lumilor minuscule a propulsat microscopia încă de la începuturile sale. O echipă tată-fiu olandeză, pe nume Hans și Zacharias Janssen, a inventat primul așa-numit microscop compus de la sfârșitul secolului al XVI-lea, când au descoperit că, dacă pun o lentilă în partea de sus și de jos a unui tub și o priveau, obiectele de pe celălalt capăt a devenit mărit. Dispozitivul a pus bazele critice pentru descoperiri viitoare, dar mărit doar cu între 3x și 9x.

Calitatea imaginii a fost în cel mai bun caz mediocră, spune Steven Ruzin, un microscop și curator al colecției Golub Microscope de la Universitatea din California din Berkeley. „Am imaginat prin ele și sunt într-adevăr destul de groaznice”, spune Ruzin. „Lentilele de mână erau mult mai bune.”

Deși au oferit mărire, aceste prime microscoape compuse nu au putut crește rezoluția, astfel încât imaginile măreți au apărut încețoșate și întunecate. Drept urmare, nu s-au înregistrat progrese științifice semnificative de aproximativ 100 de ani, spune Ruzin.

Dar până la sfârșitul anilor 1600, îmbunătățirea lentilelor a crescut calitatea imaginii și puterea de mărire până la 270x, deschizând calea către descoperiri majore. În 1667, omul de știință natural englez Robert Hooke și-a publicat faimoasa carte Micrographia cu desene complicate a sute de exemplare pe care le-a observat, inclusiv secțiuni distincte din ramura unei plante erbacee. El a numit celulele secțiunilor pentru că i-au amintit de celulele dintr-o mănăstire - și astfel a devenit părintele biologiei celulare.

Desene din Micrografia lui Robert Hooke, unde a desenat prima celulă vegetală descoperită vreodată în această ramură de pin. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons)

În 1676, omul de știință din Olanda van Leeuwenhoek, negustor de pânză transformat în țesături, a îmbunătățit și mai mult microscopul cu intenția de a privi pânza pe care a vândut-o, dar a făcut, din neatenție, descoperirea novatoare a faptului că bacteriile există. Constatarea sa accidentală a deschis domeniul microbiologiei și baza medicinei moderne; Aproape 200 de ani mai târziu, omul de știință francez Louis Pasteur va determina că bacteriile au fost cauzele din spatele multor boli (înainte de asta, mulți oameni de știință au crezut în teoria miasmei că aerul putred și mirosurile rele ne-au îmbolnăvit).

„A fost uriaș”, spune Kevin Eliceiri, un microscop la Universitatea din Wisconsin Madison, despre descoperirea inițială a bacteriilor. „A fost o mulțime de confuzii cu privire la ceea ce te-a făcut să te îmbolnăvești. Ideea că există bacterii și lucruri în apă a fost una dintre cele mai mari descoperiri vreodată. ”

Anul următor, în 1677, Leeuwenhoek a făcut o altă descoperire marcantă când a identificat pentru prima dată sperma umană. Un student medical i-a adus ejacularea unui pacient cu gonoree pentru a studia la microscopul său. Leeuwenhoek s-a obligat, a descoperit animale mici cu coada și a continuat să găsească aceleași „animale” înfiorate în propria probă de spermă. El a publicat aceste descoperiri inovatoare, dar, cum a fost cazul bacteriilor, au trecut 200 de ani înainte ca oamenii de știință să înțeleagă adevărata semnificație a descoperirii.

La sfârșitul anilor 1800, un om de știință german, numit Walther Flemming, a descoperit diviziunea celulară care, zeci de ani mai târziu, a contribuit la clarificarea modului în care crește cancerul - o constatare care ar fi fost imposibilă fără microscopuri.

„Dacă doriți să puteți viza o parte a membranei celulare sau a unei tumori, trebuie să o urmăriți”, spune Eliceiri.

În timp ce microscopurile originale pe care le-au folosit Hooke și Leeuwenhoek au avut limitele lor, structura lor de bază a două lentile conectate de un tub a rămas relevantă timp de secole, spune Eliceiri. În ultimii 15 ani, progresele în domeniul imaginilor s-au mutat pe tărâmuri noi. În 2014, o echipă de cercetători germani și americani a câștigat Premiul Nobel pentru Chimie pentru o metodă numită microscopie cu fluorescență super-rezoluție, atât de puternică putem acum să urmărim proteine singure pe măsură ce se dezvoltă în celule. Această metodă în evoluție, făcută posibilă printr-o tehnică inovatoare care face ca genele să strălucească sau să „fluoreze”, are aplicații potențiale în combaterea bolilor precum Parkinson și Alzheimer.

Un microscop italian format din fildeș la mijlocul anilor 1600, parte a colecției Golub de la UC Berkeley. (Colecția Golub la UC Berkeley.)

Ruzin conduce Centrul de Imagistica Biologică de la Universitatea din California din Berkeley, unde cercetătorii folosesc tehnologia pentru a explora totul, de la microstructuri din parazitul Giardia și aranjamente ale proteinelor din bacterii. Pentru a contribui la cercetarea modernă a microscopiei în context, el intenționează să împărtășească unele dintre cele mai vechi articole din Colecția Golub - una dintre cele mai mari colecții afișate public din lume, care conține 164 de microscopuri antice din secolul al XVII-lea - cu licența sa studenți. El chiar îi lasă să se ocupe de unele dintre cele mai vechi din colecție, inclusiv una italiană din fildeș, în jurul anului 1660.

„Spun„ nu o concentrați pentru că se va rupe ”, dar îi las pe studenți să se uite prin ea și o aduc acasă”, spune Ruzin.

Cu toate acestea, în ciuda puterii microscopiei cu rezoluție superioară, aceasta prezintă noi provocări. De exemplu, de fiecare dată când un specimen se deplasează la rezoluție înaltă, imaginea se estompează, spune Ruzin. „Dacă o celulă vibrează doar prin mișcare termică, sărind în jurul valorii de molecule de apă lovind-o pentru că sunt calde, acest lucru va ucide super-rezoluție, deoarece necesită timp”, spune Ruzin. (Din acest motiv, cercetătorii nu utilizează în general microscopie de super-rezoluție pentru a studia probele vii.)

Dar tehnologie precum Mesolensul lui Amos - cu o mărire mult mai mică de doar 4x, dar un câmp vizual mult mai larg, capabil să capteze până la 5 mm sau aproximativ lățimea unei unghii roz - poate imagina specimen viu. Aceasta înseamnă că pot urmări dezvoltarea unui embrion de șoarece în timp real, urmând genele asociate cu boala vasculară la nou-născuți, pe măsură ce devin încorporate în embrion. Înainte de aceasta, oamenii de știință ar folosi razele X pentru a studia boala vasculară în embrioni, dar nu ar ajunge în detaliu până la nivelul celular, așa cum se întâmplă cu Mesolens, spune Amos.

„Este aproape necunoscut pentru oricine să proiecteze un nou obiectiv obiectiv pentru microscopie ușoară și am făcut acest lucru pentru a încerca să adăpostim noile tipuri de exemplare pe care biologii doresc să le studieze”, spune colegul lui Amos, Gail McConnell, de la Universitatea din Strathclyde Glasgow, explicând că oamenii de știință sunt interesați să studieze organisme intacte, dar nu vor să compromită cantitatea de detalii pe care le pot vedea.

Până în prezent, industria de stocare a datelor și-a exprimat interesul pentru utilizarea Mesolens pentru a studia materialele semiconductoare, iar membrii industriei petroliere s-au arătat interesați să o folosească pentru a imagina materialele de pe site-urile potențiale de foraj. Designul lentilelor capătă lumină deosebit de bine, permițând cercetătorilor să urmărească detalii complexe, cum ar fi celulele dintr-o tumoră metastazatoare care migrează spre exterior. Dar adevăratul potențial al acestor noi tehnici rămâne de văzut.

„Dacă dezvoltați un obiectiv diferit de orice s-a făcut în ultimii 100 de ani, aceasta deschide tot felul de posibilități necunoscute”, spune Amos. „Abia începem să aflăm care sunt aceste posibilități.”

Nota editorului, 31 martie 2017: Această postare a fost editată pentru a reflecta faptul că Leeuwenhoek nu a îmbunătățit microscopul compus și că colecția lui Ruzin datează din secolul al XVII-lea.

Steven Ruzin de la UC Berkeley spune că Micrographia lui Hooke, publicată în 1665, este comparabilă cu Biblia din Gutenberg a biologilor, conținând primele desene detaliate ale specimenului de microscop, de la boabele de polen la pânză. Mai puțin de 1.000 de exemplare rămân, dar imaginile continuă să inspire microscopiștii astăzi. (Wikimedia Commons)

Luna descrisă în Micrographia (Wikimedia Commons)

Suber celule și frunze de mimoză (Wikimedia Commons)

Schem. XXXV - Dintr-un păduchi. Diagrama unui păduchi (Wikimedia Commons)

Schem. XXIX - „Marele Gnat sau Gnat-ul feminin”. O ilustrare a unui Gnat se crede că a fost desenată de Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)

Schem. XXIV - Din structura și mișcarea aripilor zboarilor. O ilustrație a unei muște albastre a fost creată de Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)