LATEN WE NU DE UITVINDING VAN DE MICROSCOOP PRIJZEN WETENSCHAP | SMITHSONIAN - ARTIKELEN, INNOVATIE, WETENSCHAP

Brad Amos heeft het grootste deel van zijn leven besteed aan het nadenken over en kijken naar kleine werelden. Nu 71 jaar oud, werkt hij als gastprofessor aan de Universiteit van Strathclyde in Schotland, waar hij een team van onderzoekers leidt dat een extreem grote nieuwe microscooplens ontwerpt - ongeveer de lengte en breedte van een menselijke arm. Genoemd tot een van Physics World's Top Tien doorbraken van 2016, de zogenaamde Mesolens is zo krachtig dat het hele tumoren of muizenembryo's in één gezichtsveld kan afbeelden en tegelijkertijd de binnenkant van cellen in beeld brengt.

gerelateerde inhoud

Prijswinnende video's Leg fascinerende, microscopische wereld vast
Een nieuwe techniek brengt kleur aan elektronenmicroscoopbeelden van cellen
Vroege microscopen onthulden een nieuwe wereld van kleine levende dingen

"Het heeft de grote dekking van een fotografische cameralens en de fijne resolutie van het objectief van de microscoop, dus het heeft de voordelen van de twee benaderingen", zegt Amos. "De afbeeldingen zijn uiterst nuttig."

Tegenwoordig werken microscopisten zoals Amos over de hele wereld om nieuwe technologieën te innoveren met wijdverbreide toepassingen in de geneeskunde en de volksgezondheid. Maar deze geavanceerde ontwikkelingen zijn allemaal terug te voeren op de allereerste microscopen die in de 16e en 17e eeuw zijn gebouwd. Hoewel ze voorlopig baanbrekend waren, zouden ze niet veel indruk op je maken; die niet veel sterker waren dan een vergrootglas in de hand.

Amos is geobsedeerd door zelfs deze eenvoudigste microscoop sinds hij er een kreeg voor een verjaardag als kind. Zijn intriges in microscopische werelden werden onverzadigbaar terwijl hij alles verkende wat hij kon vinden, van de kracht in kleine, knallende bellen tot de manier waarop stukken koper onder de naald van een naald werden gevormd. "Het is net speeldeeg, het kan heel zacht zijn", zegt Amos over koper. Hij beschrijft zijn ontzag voor de verschijnselen die hij ontdekte onder de scope die hij niet met zijn blote ogen kon zien: "Je bestudeert een wereld die zich niet eens aan dezelfde waarnemingsregels houdt."

Dit soort nieuwsgierigheid in de gang van kleine werelden duwde microscopie vanaf het begin. Een Nederlands vader-zoon team genaamd Hans en Zacharias Janssen bedacht de eerste zogenaamde samengestelde microscoop in de late 16e eeuw toen ze ontdekten dat, als ze een lens aan de boven- en onderkant van een buis zetten en er doorheen keken, objecten op de andere uiteinde werd vergroot. Het apparaat heeft kritieke basis gelegd voor toekomstige doorbraken, maar alleen vergroot met tussen 3x en 9x.

De kwaliteit van het beeld was op zijn best middelmatig, zegt Steven Ruzin, een microscopist en curator van de Golub Microscope Collection aan de Universiteit van Californië in Berkeley. "Ik heb me er doorheen afgebeeld en ze zijn echt heel verschrikkelijk", zegt Ruzin. "De handlenzen waren veel beter."

Hoewel ze voor vergroting zorgden, konden deze eerste samengestelde microscopen de resolutie niet verhogen, dus vergrote afbeeldingen leken wazig en onzichtbaar. Dientengevolge kwamen er ongeveer 100 jaar geen significante wetenschappelijke doorbraken uit, zegt Ruzin.

Maar tegen het einde van de jaren 1600 verbeterden verbeteringen aan de lenzen de kwaliteit van het beeld en het vergrotingsvermogen tot maximaal 270x, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor belangrijke ontdekkingen. In 1667 publiceerde de Engelse natuurwetenschapper Robert Hooke beroemd zijn boek Micrographia met ingewikkelde tekeningen van honderden exemplaren die hij waarnam, inclusief verschillende secties binnen de tak van een kruidachtige plant. Hij noemde de secties cellen omdat ze hem aan cellen in een klooster deden denken - en zo de vader van cellulaire biologie werd.

Tekeningen van Robert Hooke's Micrographia, waar hij de eerste plantencel tekent die ooit in deze pijnboomtak is ontdekt. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons)

In 1676 verbeterde de Nederlandse stoffenhandelaar-wetenschapper Antony van Leeuwenhoek de microscoop verder met de bedoeling om naar het doek te kijken dat hij verkocht, maar deed onbedoeld de baanbrekende ontdekking dat bacteriën bestaan. Zijn toevallige ontdekking opende het veld van de microbiologie en de basis van de moderne geneeskunde; bijna 200 jaar later zou de Franse wetenschapper Louis Pasteur vaststellen dat bacteriën de oorzaak waren van veel ziekten (daarvoor geloofden veel wetenschappers in de miasma-theorie dat rotte lucht en slechte geuren ons ziek maakten).

"Het was enorm", zegt Kevin Eliceiri, een microscopist aan de Universiteit van Wisconsin Madison, over de eerste ontdekking van bacteriën. “Er was veel verwarring over wat je ziek maakte. Het idee dat er bacteriën en dingen in het water zijn, was een van de grootste ontdekkingen ooit. "

Het jaar daarop, in 1677, deed Leeuwenhoek opnieuw een kenmerkende ontdekking toen hij voor het eerst menselijk sperma identificeerde. Een student geneeskunde had hem het ejaculaat van een gonorroe-patiënt gebracht om onder zijn microscoop te studeren. Leeuwenhoek verplichtte, ontdekte piepkleine dieren en ging in zijn eigen spermastaal dezelfde kronkelende 'diertjes' tegen. Hij publiceerde deze baanbrekende bevindingen, maar, zoals het geval was voor bacteriën, 200 jaar verstreken voordat wetenschappers de ware betekenis van de ontdekking begrepen.

Tegen het einde van de 19e eeuw ontdekte een Duitse wetenschapper, Walther Flemming, celdeling die decennia later duidelijk maakte hoe kanker groeit - een bevinding die zonder microscopen onmogelijk zou zijn geweest.

"Als u een deel van het celmembraan of een tumor wilt kunnen bereiken, moet u hierop letten", zegt Eliceiri.

Hoewel de originele microscopen die Hooke en Leeuwenhoek gebruikten misschien hun beperkingen hadden, bleef hun basisstructuur van twee lenzen verbonden door een buis eeuwenlang relevant, zegt Eliceiri. In de afgelopen 15 jaar zijn vorderingen op het gebied van beeldvorming naar nieuwe gebieden verhuisd. In 2014 won een team van Duitse en Amerikaanse onderzoekers de Nobelprijs voor de chemie voor een methode genaamd superresolutie fluorescentiemicroscopie, zo krachtig dat we nu afzonderlijke eiwitten kunnen volgen terwijl ze zich in cellen ontwikkelen. Deze evoluerende methode, mogelijk gemaakt door een innovatieve techniek die genen laat gloeien of "fluoresceren", heeft potentiële toepassingen bij het bestrijden van ziekten zoals Parkinson en Alzheimer.

Een Italiaanse microscoop gemaakt van ivoor in het midden van de jaren 1600, onderdeel van de Golub-collectie in UC Berkeley. (Golub-collectie bij UC Berkeley.)

Ruzin leidt de Biological Imaging Facility aan de University of California in Berkeley, waar onderzoekers de technologie gebruiken om alles te verkennen, van microstructuren binnen de Giardia-parasiet en arrangementen van eiwitten in bacteriën. Om modern microscopisch onderzoek in de juiste context te brengen, deelt hij een aantal van de oudste items uit de Golub-collectie - een van de grootste openbaar getoonde collecties ter wereld, met 164 antieke microscopen uit de 17e eeuw - met zijn student. studenten. Hij laat ze zelfs enkele van de oudste in de collectie verwerken, waaronder een Italiaanse van ivoor rond 1660.

"Ik zeg:" focus het niet, want het zal breken ", maar ik laat studenten erdoorheen kijken en het brengt het naar huis, " zegt Ruzin.

Ondanks de kracht van superresolutiemicroscopie vormt het toch nieuwe uitdagingen. Wanneer een exemplaar bijvoorbeeld onder hoge resolutie beweegt, vervaagt het beeld, zegt Ruzin. "Als een cel alleen trilt door thermische beweging, die rondstuitert door watermoleculen die hem raken omdat ze warm zijn, zal dit de superresolutie doden omdat het tijd kost, " zegt Ruzin. (Om deze reden gebruiken onderzoekers over het algemeen geen superresolutiemicroscopie om levende monsters te bestuderen.)

Maar technologie zoals Amos 'Mesolens - met een veel lagere vergroting van slechts 4x maar een veel breder gezichtsveld dat tot 5 mm kan vangen, of ongeveer de breedte van een pinkige vingernagel - kan live specimen afbeelden. Dit betekent dat ze een muizenembryo in realtime kunnen zien ontwikkelen, waarbij ze genen in verband met vaatziekten bij pasgeborenen volgen wanneer ze in het embryo worden opgenomen. Voorafgaand hieraan gebruikten wetenschappers röntgenstralen om vaatziekten in embryo's te bestuderen, maar zouden ze niet tot op cellulair niveau komen zoals bij de Mesolens, zegt Amos.

"Het is bijna ongehoord voor iedereen om een nieuwe objectieflens voor lichtmicroscopie te ontwerpen en we hebben dit gedaan om te proberen tegemoet te komen aan de nieuwe soorten specimens die biologen willen bestuderen, " zegt Amos 'collega Gail McConnell van de Universiteit van Strathclyde Glasgow, en legt uit dat wetenschappers geïnteresseerd zijn in het bestuderen van intacte organismen, maar geen concessies willen doen aan de hoeveelheid details die ze kunnen zien.

Tot dusverre heeft de data-opslagindustrie interesse getoond in het gebruik van de Mesolens om halfgeleidermaterialen te bestuderen, en leden van de olie-industrie waren geïnteresseerd in het gebruiken van afbeeldingen van potentiële boorlocaties. Het lensontwerp vangt bijzonder goed licht op, waardoor onderzoekers ingewikkelde details kunnen zien ontvouwen, zoals cellen in een metastaserende tumor die naar buiten migreert. Maar het echte potentieel van deze nieuwe technieken valt nog te bezien.

"Als je een ander doel ontwikkelt dan iets dat de afgelopen 100 jaar is gemaakt, biedt dit allerlei ongekende mogelijkheden", zegt Amos. "We beginnen net te begrijpen wat die mogelijkheden zijn."

Editor's Note, 31 maart 2017: Dit bericht is bewerkt om aan te geven dat Leeuwenhoek de samengestelde microscoop niet heeft verbeterd en dat de collectie van Ruzin dateert uit de 17e eeuw.

Steven Ruzin van UC Berkeley zegt dat Hooke's Micrographia, gepubliceerd in 1665, vergelijkbaar is met de Gutenberg-bijbel van biologen, met de allereerste gedetailleerde tekeningen van microscoopmonsters variërend van pollenkorrels tot stof. Er zijn minder dan 1.000 exemplaren over, maar de beelden blijven microscopisten inspireren. (Wikimedia Commons)

De maan beschreven in Micrographia (Wikimedia Commons)

Subercellen en mimosabladeren (Wikimedia Commons)

Schem. XXXV - Van een luis. Diagram van een luis (Wikimedia Commons)

Schem. XXIX - "De grote Belly'ed Gnat of vrouwelijke Gnat". Een illustratie van een Gnat waarvan gedacht werd dat deze was getekend door Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)

Schem. XXIV - Van de structuur en beweging van de vleugels van vliegen. Een illustratie van een Blue Fly waarvan gedacht werd dat deze was getekend door Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)