DICSÉRJÜK MOST A MIKROSZKÓP TALÁLMÁNYÁT TUDOMÁNY | SMITHSONIAN - CIKKEK, INNOVÁCIÓ, TUDOMÁNY

Brad Amos életének nagy részét apró világokra gondolkodva és betekintve töltötte. Jelenleg 71 éves, a Skóciában található Strathclyde-i Egyetemen vendégprofesszorként dolgozik, ahol egy kutatói csoportot vezet egy rendkívül nagy új mikroszkóp-lencsét tervezve - az emberi kar hosszára és szélességére. Az úgynevezett Mesolens, amelyet a Physics World 2016. évi tíz legfontosabb áttörésének nevezték el, annyira erős, hogy a teljes daganatokat vagy egérembriókat egyetlen látómezőben képes ábrázolni, miközben a sejtek belső oldalát egyidejűleg ábrázolja.

kapcsolodo tartalom

Díjnyertes videók rögzítik a hipnotikus, mikroszkopikus világot
Egy új technika a sejtek elektronmikroszkópos képeit színesíti
A korai mikroszkópok feltárták az apró élőlények új világát

"Nagyon lefedi a fényképezőgép lencséjét és a mikroszkóp objektívje nagy felbontású, tehát a két megközelítés előnyei vannak" - mondja Amos. "A képek rendkívül hasznosak."

Manapság az Amoshoz hasonló mikroszkopikusok azon dolgoznak, hogy új technológiákat fejlesszenek ki, széles körben alkalmazva az orvostudományban és az emberi egészségben. De ezek az élvonalbeli fejlesztések visszavezethetők a legelső mikroszkópokra, amelyeket a 16. és 17. században építettek. Míg a legfejlettebb egy időre, nem fognak sokat lenyűgözni; ami nem volt sokkal erősebb, mint egy kézi nagyító.

Amos már a legegyszerűbb mikroszkópokkal is megszállottja volt, mióta gyerekként születésnapjára kapott egyet. Érdeklődése a mikroszkopikus világokban telhetetlenné vált, amikor bármit megkeresett, az apró, felbukkanó buborékokon belüli erőtől a rézdaraboknak a tűszúrás alá öntéséig. "Olyan, mint a játék tészta, nagyon puha is lehet" - mondja Amos a rézről. Leírja félelmét a felfedezett jelenségek körében, amelyet szabad szemmel nem látott: "Olyan világot tanulmányoz, amely még az ugyanazon érzékelési szabályokat sem tartja be."

Ez a fajta kíváncsiság az apró világok folytatásában a kezdetektől fogva hajtotta a mikroszkópiát. Hans és Zacharias Janssen nevű holland apja-fia csapat feltalálta az első úgynevezett összetett mikroszkópot a 16. század végén, amikor rájöttek, hogy ha lencsét helyeznek a cső tetejére és aljára, és átnézik rajta, tárgyak vannak a a másik vége nagyított lett. A készülék megteremtette a kritikus alapot a jövőbeli áttörésekhez, de csak 3x és 9x közötti nagyítást tett lehetővé.

A kép minősége a legjobb esetben közepes volt - mondta Steven Ruzin, a mikroszkopikus és a kaliforniai Berkeley-i Egyetem Golub Mikroszkóp Gyűjteményének kurátora. "Át képzeltem őket, és valóban nagyon szörnyűek" - mondja Ruzin. "A kézlencsék sokkal jobbak voltak."

Annak ellenére, hogy nagyítást nyújtottak, ezek az első összetett mikroszkópok nem tudták növelni a felbontást, így a nagyított képek homályosak és elhomályosultak. Következésképpen mintegy 100 év alatt nem történt jelentős tudományos áttörés tőlük - mondja Ruzin.

Az 1600-as évek végére azonban a lencsék fejlesztése 270x-ig növelte a kép minőségét és a nagyítóképességet, előkészítve az utat a nagy felfedezések számára. 1667-ben Robert Hooke angol természettudós híresen publikálta a Micrographia című könyvet a megfigyelt példányok százai bonyolult rajzaival, beleértve a lágyszárú növény ágának külön metszeteit. Azért hívta a szekciókat sejteknek, mert emlékeztették őt a kolostor sejtjeire - és így a sejtbiológia atyjaivá váltak.

Rajzok Robert Hooke mikrográfiájából, ahol rajzolja az első növényi sejtet, amelyet e fenyőágban valaha fedeztek fel. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons)

1676-ban, Antony van Leeuwenhoek holland szövetkereskedő-fordult tudós tovább javította a mikroszkópot azzal a szándékkal, hogy az eladott szövetre nézzen, ám véletlenül úttörő felfedezést tett a baktériumok fennmaradásáról. Véletlen felfedezése megnyitotta a mikrobiológia területét és a modern orvoslás alapját; majdnem 200 évvel később, a francia tudós, Louis Pasteur megállapítja, hogy a baktériumok okozzák a sok betegséget (ezt megelőzően sok tudós hitt abban a miasma-elméletben, hogy a rohadt levegő és a rossz szagok betegeket okoztak).

„Nagyon hatalmas” - mondja Kevin Eliceiri, a Wisconsini Madison Egyetem mikroszkópja a baktériumok kezdeti felfedezéséről. „Nagyon zavart volt az, ami megbetegedett. Az a gondolat, hogy baktériumok és dolgok vannak a vízben, az egyik legnagyobb felfedezés volt.

A következő évben, 1677-ben, Leeuwenhoek újabb ismert felfedezést tett, amikor először azonosította az emberi spermakat. Egy orvostanhallgató elhozta neki egy gonorrhea beteg magömlését, hogy mikroszkóp alatt tanulmányozza. Leeuwenhoek kötelezte, apró farkú állatokat fedezett fel, és ugyanazokat a gyűrött „állati szemcséket” találta saját spermájában. Kiadta ezeket az úttörő eredményeket, de a baktériumokhoz hasonlóan 200 év telt el, mielőtt a tudósok megértették a felfedezés valódi jelentőségét.

Az 1800-as évek végére egy német Walther Flemming nevű tudós felfedezte a sejtosztódást, amely évtizedekkel később tisztázta a rák növekedésének módját - ez a felfedezés lehetetlen lett volna mikroszkópok nélkül.

"Ha azt akarja, hogy megcélozza a sejtmembrán egy részét vagy egy daganatot, akkor ezt figyelnie kell" - mondja Eliceiri.

Míg az eredeti mikroszkópokon, amelyeket Hooke és Leeuwenhoek használtak, korlátai voltak, addig a csövekkel összekötött két lencse alapvető felépítése évszázadok óta releváns maradt - mondta Eliceiri. Az elmúlt 15 évben a képalkotás fejlődése új birodalmakba költözött. 2014-ben egy német és amerikai kutatócsoport megnyerte a kémiai Nobel-díjat a szuper felbontású fluoreszcencia mikroszkópia elnevezésű módszerért, amely olyan hatalmas, hogy nyomon követhetjük az egyes fehérjéket, amint a sejtekben fejlődnek. Ez a fejlődő módszer, amely lehetővé vált egy olyan innovatív technikán keresztül, amely a géneket izzóvá vagy „fluoreszkálóvá” teszi, potenciálisan alkalmazható olyan betegségek leküzdésében, mint például a Parkinson-kór és az Alzheimer-kór.

Elefántcsontból készült olasz mikroszkóp az 1600-as évek közepén, a Golub kollekció része az UC Berkeley-ben. (Golub Gyűjtemény az UC Berkeleynél.)

Ruzin a Berkeley-ben található Kaliforniai Egyetem biológiai képalkotási intézetének vezetõje, ahol a kutatók a technológiát használják mindazok felkutatására, a Giardia-parazitában lévõ mikroszerkezetekbõl és a fehérjék baktériumokon belüli elrendezéséig. A modern mikroszkópos kutatások összefüggésbe hozása érdekében meg kívánja osztani a Golub Gyűjtemény néhány legrégebbi elemét - a világ egyik legnagyobb nyilvánosan megjelenített gyűjteményét, amely 164 antik mikroszkópot tartalmaz a 17. századból - a hallgatóval hallgatók. Még a gyűjtemény legrégebbi részeinek kezelését is lehetővé teszi számukra, beleértve egy elefántcsontból készült olaszat is, 1660 körül.

"Azt mondom, hogy" ne koncentrálj rá, mert eltörik ", de hagyom, hogy a hallgatók áttekintsék, és különféle módon hozza haza" - mondja Ruzin.

Ennek ellenére a szuper felbontású mikroszkópia hatalma ellenére új kihívásokat jelent. Például, amikor egy minta nagy felbontás mellett mozog, a kép elmosódik - mondja Ruzin. "Ha egy sejt csak hőmozgással rezeg, és megragadó vízmolekulákkal visszapattant, mert melegek, akkor a szuperfelbontás megsemmisül, mert időbe telik" - mondja Ruzin. (Ezért a kutatók általában nem használnak szuperfelbontású mikroszkópot az élő minták tanulmányozására.)

De az olyan technológia, mint az Amos Mesolens - sokkal alacsonyabb nagyítással, mindössze négyszeres nagyítással, de sokkal szélesebb látómezővel, amely akár 5 mm-ig is képes rögzíteni, vagy körülbelül egy rózsaszínű köröm szélessége - képes élő mintákat ábrázolni. Ez azt jelenti, hogy figyeli az egér embriójának valós időben történő fejlődését, követve az újszülöttek érrendszeri betegségével járó géneket, amikor beépülnek az embrióba. Ezt megelőzően a tudósok röntgenfelvételeket használnak az embriók érrendszeri megbetegedéseinek tanulmányozására, de nem tudnák részletesebben a sejtszintre csökkenni, mint a Mesolens esetében - mondja Amos.

"Szinte nem hallott, hogy senki tervezzen egy új objektív lencsét a fénymikroszkópos vizsgálathoz, és ezt megcsináltuk, hogy megpróbáljuk beilleszteni az új típusú mintákat, amelyeket a biológusok tanulmányozni akarnak" - mondja Amos kollégája, Gail McConnell a Glasgow-i Strathclyde Egyetemen. hogy a tudósok érdekelnek az érintetlen organizmusok tanulmányozásában, de nem akarják veszélyeztetni az általuk látható részletek mennyiségét.

Az adattároló ipar eddig kifejezte érdeklődését a Mesolens félvezető anyagok tanulmányozására való felhasználása iránt, és az olajipar tagjai érdekeltek abban, hogy a leendõ fúrási helyszínektõl származó anyagokat leképezzék. A lencse kialakítása különösen jól érzékeli a fényt, lehetővé téve a kutatóknak, hogy bonyolult részleteket figyeljenek, mint például a sejtek egy áttétes tumorban, amely kifelé vándorol. Ezeknek az új technikáknak a valódi potenciálját azonban még meg kell állapítani.

"Ha az elmúlt 100 évben kitűzött céltól eltérő célt dolgoz ki, akkor mindenféle ismeretlen lehetőséget nyit meg" - mondja Amos. "Most kezdjük el megismerni, mi ezek a lehetőségek."

A szerkesztő megjegyzése, 2017. március 31 .: Ez a bejegyzés úgy lett szerkesztve, hogy tükrözze, hogy Leeuwenhoek nem fejlesztette tovább a vegyi mikroszkópot, és hogy Ruzin gyűjteménye a 17. századra nyúlik vissza.

Steven Ruzin, az UC Berkeley munkatársa szerint a Hooke's Micrographia, amelyet 1665-ben publikáltak, összehasonlítható a biológusok Gutenberg Bibliájával, amely a mikroszkópos minták legelső részletesebb rajzát tartalmazza a pollenszemétől a ruháig. Kevesebb mint 1000 példány maradt, de a képek ma továbbra is inspirálják a mikroszkopistákat. (Wikimedia Commons)