LA OSS NÅ BERØMME OPPFINNELSEN AV MIKROSKOPET VITENSKAP | SMITHSONIAN - ARTIKLER, INNOVASJON, VITENSKAP

Brad Amos har brukt mesteparten av livet sitt på å tenke på og se inn i ørsmå verdener. Nå 71 år gammel jobber han som gjesteprofessor ved University of Strathclyde i Skottland, hvor han leder et team av forskere som designer et ekstremt stort nytt mikroskopobjektiv - om lengden og bredden på en menneskelig arm. Den såkalte Mesolens er kåret til et av verdens ti beste gjennombrudd i 2016, og er så kraftig at den kan avbilde hele svulster eller musembryoer i ett synsfelt og samtidig avbilde innsiden av celler.

Relatert innhold

Prisvinnende videoer Capture Mesmerizing, Microscopic World
En ny teknikk gir farge til elektronmikroskopbilder av celler
Tidlige mikroskop avslørte en ny verden av små levende ting

"Det har den store dekningen av et fotografisk kameralins og den fine oppløsningen av mikroskopmål, så det har fordelene med de to tilnærmingene, " sier Amos. "Bildene er ekstremt nyttige."

I dag jobber mikroskopister som Amos verden rundt for å innovere nye teknologier med utbredte anvendelser innen medisin og menneskers helse. Men disse banebrytende fremskrittene spores helt tilbake til de aller første mikroskopene som ble bygget på 1500- og 1600-tallet. Mens de var nyskapende for tiden, ville de ikke imponere deg mye; som ikke var mye sterkere enn et håndholdt forstørrelsesglass.

Amos har vært besatt av selv de enkleste mikroskopene siden han fikk en i bursdag som barn. Hans intriger i mikroskopiske verdener ble umettelige da han utforsket alt han kunne finne, fra styrken innenfor bittesmå, sprellende bobler til måten kobberstykker støpt under nålens poke. "Det er som lekedeig, det kan være veldig mykt, " sier Amos om kobber. Han beskriver sin ærefrykt for fenomenene han oppdaget under omfanget som han ikke kunne se med bare blikket: "Du studerer en verden som ikke en gang overholder de samme reglene for oppfatning."

Denne typen nysgjerrighet i fremtiden for små verdener som drev mikroskopi fra starten av. Et nederlandsk far-sønn-team ved navn Hans og Zacharias Janssen oppfant det første såkalte sammensatte mikroskopet på slutten av 1500-tallet da de oppdaget at hvis de satte en linse på toppen og bunnen av et rør og så gjennom det, gjenstander på andre ende ble forstørret. Enheten la kritisk grunnlag for fremtidige gjennombrudd, men ble bare forstørret med mellom 3 og 9 ganger.

Kvaliteten på bildet var i beste fall middelmådig, sier Steven Ruzin, mikroskopist og kurator for Golub Microscope Collection ved University of California i Berkeley. "Jeg har tatt bilder gjennom dem, og de er egentlig ganske forferdelig, " sier Ruzin. "Håndlinsene var mye bedre."

Selv om de ga forstørrelse, kunne ikke disse første sammensatte mikroskop øke oppløsningen, så forstørrede bilder virket uskarpe og skjulte. Som et resultat kom ingen nevneverdige vitenskapelige gjennombrudd fra dem på omtrent 100 år, sier Ruzin.

Men på slutten av 1600-tallet økte forbedringene av linsene kvaliteten på bildet og den forstørrende kraften til opptil 270 ganger, noe som banet vei for større funn. I 1667 publiserte den engelske naturviteren Robert Hooke berømt sin bok Micrografy med intrikate tegninger av hundrevis av prøver han observerte, inkludert distinkte seksjoner i grenen til en urteaktig plante. Han kalte seksjonene celler fordi de minnet ham om celler i et kloster - og dermed ble far til cellulærbiologi.

Tegninger fra Robert Hookes Micrografy, der han tegner den første plantecellen som noen gang er oppdaget i denne furugrenen. (Robert Hooke, Micrografy / Wikimedia Commons)

I 1676 forbedret den nederlandske tøyhandelmannen-forskeren Antony van Leeuwenhoek mikroskopet ytterligere med den hensikt å se på duken som han solgte, men utilsiktet gjorde det banebrytende oppdaget at det finnes bakterier. Hans tilfeldige funn åpnet feltet mikrobiologi og grunnlaget for moderne medisin; nesten 200 år senere ville den franske forskeren Louis Pasteur bestemme at bakterier var årsaken bak mange sykdommer (før det trodde mange forskere på miasmateorien om at råtten luft og dårlig lukt gjorde oss syke).

"Det var stort, " sier Kevin Eliceiri, mikroskopist ved University of Wisconsin Madison, om den første oppdagelsen av bakterier. “Det var mye forvirring rundt hva som gjorde deg syk. Ideen om at det er bakterier og ting i vannet var en av de største funnene noensinne. ”

Det neste året, i 1677, gjorde Leeuwenhoek et nytt kjennetegnfunn da han identifiserte menneskelig sæd for første gang. En medisinstudent hadde brakt ham ejakulatet til en gonorépasient for å studere under mikroskopet sitt. Leeuwenhoek forpliktet, oppdaget bittesmå haler og fortsatte med å finne de samme krøllete "dyrene" i sin egen sædprøve. Han publiserte disse banebrytende funnene, men som tilfellet var for bakterier, gikk det 200 år før forskere forsto den sanne betydningen av funnet.

På slutten av 1800-tallet oppdaget en tysk forsker ved navn Walther Flemming celledeling som tiår senere var med på å avklare hvordan kreft vokser - et funn som ville vært umulig uten mikroskop.

"Hvis du vil være i stand til å målrette mot en del av cellemembranen eller en svulst, må du se på den, " sier Eliceiri.

Mens de originale mikroskopene som Hooke og Leeuwenhoek brukte kan ha hatt sine begrensninger, forble deres grunnleggende struktur for to linser forbundet med rør i århundrer, sier Eliceiri. I løpet av de siste 15 årene har fremskritt innen bildebehandling flyttet inn i nye verdener. I 2014 vant et team av tyske og amerikanske forskere Nobelprisen i kjemi for en metode som kalles superoppløselig fluorescensmikroskopi, så kraftig at vi nå kan spore enkeltproteiner når de utvikler seg i celler. Denne utviklende metoden, muliggjort gjennom en nyskapende teknikk som gjør gener til å gløde eller "fluoresce", har potensielle bruksområder i bekjempelse av sykdommer som Parkinson og Alzheimers.

Et italiensk mikroskop laget av elfenben på midten av 1600-tallet, en del av Golub-samlingen ved UC Berkeley. (Golub Collection på UC Berkeley.)

Ruzin leder Biolog Imaging Facility ved University of California i Berkeley, der forskere bruker teknologien for å utforske alt fra mikrostrukturer i Giardia-parasitten og ordninger av proteiner i bakterier. For å bidra til å bringe moderne mikroskopiforskning i kontekst, gjør han et poeng av å dele noen av de eldste gjenstandene fra Golub-samlingen - en av de største offentlig viste samlingene i verden, som inneholder 164 antikke mikroskoper som dateres tilbake til 1600-tallet - med sin bachelor studenter. Han lar dem til og med håndtere noen av de eldste i samlingen, inkludert en italiensk laget av elfenben rundt 1660.

"Jeg sier 'ikke fokuser på det fordi det vil gå i stykker', men jeg lar elevene se gjennom det, og det bringer det hjem, " sier Ruzin.

Til tross for kraften i superoppløsningsmikroskopi, gir den likevel nye utfordringer. For eksempel når bildet blir beveget under høy oppløsning, blir bildet uskarpt, sier Ruzin. "Hvis en celle vibrerer bare ved termisk bevegelse og spretter rundt av vannmolekyler som treffer den fordi de er varme, vil dette drepe superoppløsningen fordi det tar tid, " sier Ruzin. (Av denne grunn bruker ikke forskere generelt superoppløselig mikroskopi for å studere levende prøver.)

Men teknologi som Amos Mesolens - med en mye lavere forstørrelse på bare 4x, men et mye bredere synsfelt som kan fange opp til 5 mm, eller omtrent bredden på en rosa fingernegle - kan gi bilder av levende eksemplarer. Dette betyr at de kan se et musembryo utvikle seg i sanntid, etter gener assosiert med vaskulær sykdom hos nyfødte når de blir integrert i embryoet. Før dette ville forskere bruke røntgenstråler for å studere vaskulær sykdom hos embryoer, men ville ikke få detaljer ned til cellenivået som de gjør med mesolene, sier Amos.

"Det er nesten uhørt for noen å designe et nytt objektivt objektiv for lysmikroskopi, og vi har gjort dette for å prøve å imøtekomme de nye typene eksempler som biologer vil studere, " sier Amos 'kollega Gail McConnell ved University of Strathclyde Glasgow, og forklarer at forskere er interessert i å studere intakte organismer, men ikke vil kompromittere mengden med detaljer de kan se.

Så langt har datalagringsindustrien uttrykt interesse for å bruke Mesolens til å studere halvledermaterialer, og medlemmer av oljeindustrien har vært interessert i å bruke den til bildemateriale fra potensielle boresteder. Linsedesignen tar spesielt godt opp lys, slik at forskere kan se intrikate detaljer utfolde seg som celler i en metastaserende svulst som migrerer utover. Men det sanne potensialet med disse nye teknikkene gjenstår å se.

"Hvis du utvikler et annet mål enn noe som er gjort de siste 100 årene, åpner det for alle ukjente muligheter, " sier Amos. "Vi begynner akkurat å finne ut hva disse mulighetene er."

Redaktørens merknad 31. mars 2017: Dette innlegget er redigert for å gjenspeile at Leeuwenhoek ikke forbedret det sammensatte mikroskopet og at Ruzins samling stammer fra 1600-tallet.

Steven Ruzin ved UC Berkeley sier at Hookes Micrografy, utgitt i 1665, kan sammenlignes med Gutenberg Bibelen fra biologer, som inneholder de første detaljerte tegningene av mikroskopeksempler som spenner fra pollenkorn til klut. Det gjenstår færre enn 1000 eksemplarer, men bildene inspirerer mikroskopister i dag. (Wikimedia Commons)

Månen beskrevet i Micrografy (Wikimedia Commons)

Suberceller og mimosa blader (Wikimedia Commons)

Schem. XXXV - Of a Louse. Diagram over en lus (Wikimedia Commons)

Schem. XXIX - "The great Belly'ed Gnat eller female Gnat". En illustrasjon av en Gnat som antas å ha blitt tegnet av Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)

Schem. XXIV - Av strukturen og bevegelsen til Wings of Flues. En illustrasjon av en blå flue som antas å være tegnet av Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)