KIITTÄKÄÄMME NYT MIKROSKOOPIN KEKSINTÖÄ

Brad Amos on viettänyt suurimman osan elämästään ajattelemalla ja tutkimalla pieniä maailmoja. Nyt 71-vuotias hän työskentelee vierailevana professorina Skotlannin Strathclyden yliopistossa, jossa hän johtaa tutkijaryhmää, joka suunnittelee erittäin suuren uuden mikroskooppilinssin - noin ihmisen käden pituudelle ja leveydelle. Yksi vuoden 2016 kymmenen parhaan läpimurron joukosta nimeltään ns. Mesolens on niin voimakas, että se voi kuvata kokonaisia tuumoreita tai hiiren alkioita yhdelle näkökentälle kuvantaen samalla solujen sisäpintoja.

Asiaan liittyvä sisältö

Palkittuja videoita kaappaa kiehtova, mikroskooppinen maailma
Uusi tekniikka tuo värejä elektronimikroskooppikuviin soluista
Varhaiset mikroskoopit paljastivat pienten elävien olentojen uuden maailman

"Siinä on suuri kuvauskameran linssi ja mikroskoopin objektiivin hieno resoluutio, joten sillä on kahden lähestymistavan edut", Amos sanoo. "Kuvat ovat erittäin hyödyllisiä."

Nykyään Amosin kaltaiset mikroskopit työskentelevät ympäri maailmaa innovoidakseen uutta tekniikkaa, jolla on laaja käyttösovellus lääketieteessä ja ihmisten terveydessä. Mutta nämä huipputekniset edistysaskeleet juontavat juurensa ensimmäisiin mikroskooppeihin, jotka rakennettiin 16. ja 17. vuosisadalla. Vaikka ne ovat tällä hetkellä huippuluokkaa, ne eivät vaikuta teihin paljon; joka ei ollut paljon vahvempi kuin kädessä pidettävä suurennuslasi.

Amos on pakkomielle jopa näissä yksinkertaisimmissa mikroskoopeissa siitä lähtien, kun hän sai yhden syntymäpäivänä lapsena. Hänen juonittelustaan mikroskooppisissa maailmoissa tuli tyytymättömäksi tutkiessaan mitä tahansa löydettävää, pienissä, esiin nousevissa kuplissa olevasta voimasta kuparinpalasten muovaamiseen neulan sauvan alle. "Se on kuin pelata taikinaa, se voi olla erittäin pehmeä", Amos sanoo kuparista. Hän kuvaa kunnioitustaan havaitsemiin ilmiöihin sellaisessa laajuudessa, jota hän ei pystynyt näkemään paljain silmin: "Opiskelet maailmaa, joka ei edes noudata samoja havaintasääntöjä."

Tämän tyyppinen uteliaisuus pienten maailmojen jatkumisessa ajoi mikroskopiaa alusta alkaen. Hollantilainen isä-poika -ryhmä nimeltään Hans ja Zacharias Janssen keksi ensimmäisen ns. Yhdistelmämikroskoopin 1500-luvun lopulla, kun he huomasivat, että jos he asettavat linssin putken ylä- ja alaosaan ja katsoivat sen läpi, esineet Toinen pää suureni. Laite loi kriittisen perustan tuleville läpimurtoille, mutta vain suurennettuna välillä 3x - 9x.

Kuvan laatu oli parhaimmillaan keskinkertainen, sanoo mikroskopisti ja Golub-mikroskooppikokoelman kuraattori Steven Ruzin Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä. "Olen kuvannut heidän läpi ja he ovat todella melko kauheita", Ruzin sanoo. "Käsilinssit olivat paljon parempia."

Vaikka nämä ensimmäiset yhdistemikroskoopit tarjosivat suurennuksen, ne eivät kyenneet nostamaan resoluutiota, joten suurennetut kuvat näyttivät epäselvältä ja hämärtymiseltä. Seurauksena ei ollut, että heistä olisi ollut merkittäviä tieteellisiä läpimurtoja noin 100 vuoden ajan, Ruzin sanoo.

Mutta 1600-luvun lopulla objektiivien parannukset nostivat kuvan laatua ja suurennusvoimaa jopa 270-kertaiseksi, mikä tasoitti tietä suurille löytöille. Englantilainen luonnontieteilijä Robert Hooke julkaisi vuonna 1667 kuuluisasti kirjansa Micrographia, jossa on monimutkaisia piirroksia sadoista hänen havaitsemistaan yksilöistä, mukaan lukien erilliset leikkeet ruohokasvin haarassa. Hän kutsui osastoja soluiksi, koska ne muistuttivat häntä luostarin soluista - ja siten heistä tuli solubiologian isä.

Piirrokset Robert Hooken mikrografiasta, jossa hän piirtää ensimmäisen mänty oksasta koskaan löydetyn kasvisolun. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons)

Vuonna 1676 hollantilainen kangaskauppias-kääntynyt tiedemies Antony van Leeuwenhoek paransi edelleen mikroskooppia tarkastelemalla myymäänsä kangasta, mutta teki vahingossa uraauurtavan havainnon bakteerien olemassaolosta. Hänen vahingossa tapahtuva löytönsä avasi mikrobiologian kentän ja modernin lääketieteen perustan; Lähes 200 vuotta myöhemmin ranskalainen tiedemies Louis Pasteur määritti, että bakteerit olivat syynä moniin sairauksiin (ennen sitä monet tutkijat uskoivat miasma-teoriaan, jonka mukaan mätä ilma ja huonot hajut saivat meidät sairaiksi).

"Se oli valtava", kertoo Wisconsin Madisonin yliopiston mikroskopisti Kevin Eliceiri alkuperäisistä bakteereista. ”Oli paljon sekaannusta siitä, mikä sai sinut sairaudeksi. Ajatus siitä, että vedessä on bakteereja ja asioita, oli yksi kaikkien aikojen suurimmista löytöistä. ”

Seuraavana vuonna, vuonna 1677, Leeuwenhoek teki uuden tunnusmerkin löytönsä, kun hän löysi ihmisen siittiöt ensimmäistä kertaa. Yksi lääketieteen opiskelija oli tuonut hänelle gonorrheapotilaan siemensyöksyn tutkimaan mikroskoopillaan. Leeuwenhoek pakotti, löysi pieniä pyrstöeläimiä ja jatkoi löytäjäänsä samoja rypistyviä ”eläinrenkaita” omassa siemennesteenäytteessään. Hän julkaisi nämä uraauurtavat havainnot, mutta kuten bakteerien tapauksessa, kului 200 vuotta ennen kuin tutkijat ymmärsivät löytön todellisen merkityksen.

1800-luvun loppuun mennessä saksalainen tutkija nimeltä Walther Flemming löysi solujakautumisen, joka vuosikymmeniä myöhemmin auttoi selventämään, kuinka syöpä kasvaa - löytö, joka olisi ollut mahdotonta ilman mikroskooppeja.

"Jos haluat pystyä kohdistamaan solukalvon tai kasvaimen osaan, sinun on seurattava sitä", Eliceiri sanoo.

Vaikka alkuperäisillä mikroskoopeilla, joita Hooke ja Leeuwenhoek käyttivät, saattoi olla rajoituksia, niiden kahden putken yhdistämän linssin perusrakenne pysyi ajankohtana vuosisatojen ajan, Eliceiri sanoo. Viimeisen 15 vuoden aikana kuvankäsittelyn edistyminen on siirtynyt uuteen maailmaan. Vuonna 2014 joukko saksalaisia ja amerikkalaisia tutkijoita voitti Nobelin kemian palkinnon menetelmästä, jota kutsutaan superresoluutioiseksi fluoresenssimikroskopiaksi, joka on niin tehokas, että voimme nyt seurata yksittäisiä proteiineja niiden kehittyessä soluissa. Tällä kehittyvällä menetelmällä, joka on mahdollinen innovatiivisella tekniikalla, joka saa geenit hehkuvaksi tai ”fluoresoiviksi”, on potentiaalisia sovelluksia taisteluissa, kuten Parkinsonin ja Alzheimerin taudissa.

Italialainen norsunluun mikroskooppi 1600-luvun puolivälissä, osa UC Berkeleyn Golub-kokoelmaa. (Golub-kokoelma UC Berkeleyssä.)

Ruzin johtaa Kalifornian Berkeleyn yliopiston biologista kuvantamislaitosta, jossa tutkijat käyttävät tekniikkaa tutkimaan kaikkea Giardia-loisen mikrorakenteista ja bakteerien proteiinijärjestelyistä. Auttaakseen tuomaan nykyaikaista mikroskopiatutkimusta asiayhteyteen, hän haluaa jakaa tutkinnonsa kanssa jokaiselle Golub-kokoelman vanhemmalle esineelle - yhdelle maailman suurimmista julkisesti esillä olevista kokoelmista, joka sisältää 164 antiikin mikroskooppia, jotka ovat peräisin 1700-luvulta. opiskelijoille. Hän antaa heidän jopa käsitellä eräitä kokoelman vanhimmista, mukaan lukien elektrolyysiä valmistettu italialainen, joka valmistui noin 1660.

"Sanon" älä keskitä sitä, koska se hajoaa ", mutta annan opiskelijoiden katsoa sen läpi, ja se tuo kaikenlaista kotiin", Ruzin sanoo.

Huolimatta superresoluutiomikroskopian voimakkuudesta, se kuitenkin asettaa uusia haasteita. Esimerkiksi aina, kun näyte liikkuu korkealla resoluutiolla, kuva hämärtyy, Ruzin sanoo. "Jos solu värähtelee vain termisellä liikkeellä ja kimpoaa ympäriinsä vesimolekyyleistä, jotka lyövät sitä, koska ne ovat lämpimiä, se tappaa superresoluution, koska se vie aikaa", Ruzin sanoo. (Tästä syystä tutkijat eivät yleensä käytä superresoluutiomikroskopiaa elävien näytteiden tutkimiseen.)

Mutta tekniikka, kuten Amosin Mesolens, - jolla on paljon pienempi suurennus, vain 4x, mutta paljon laajemmalla näköalalla, joka kykenee vangitsemaan jopa 5 mm tai suunnilleen vaaleanpunaisen kynnen leveyden - voi kuvata eläviä yksilöitä. Tämä tarkoittaa, että he voivat seurata hiiren alkion kehittymistä reaaliajassa seuraten geenejä, jotka liittyvät vaskulaarisiin tautiin vastasyntyneillä, kun ne sisällytetään alkioon. Ennen tätä tutkijat käyttivät röntgensäteitä alkioiden verisuonitautien tutkimiseen, mutta eivät saaneet yksityiskohtia alas solutasoon, kuten he tekevät Mesolenien kanssa, Amos sanoo.

"Kukaan on melkein kuulumatonta suunnittelemaan uuden objektiivilinssin valomikroskopiaa varten, ja olemme tehneet tämän yrittääksemme mukauttaa uuden tyyppiset näytteet, joita biologit haluavat tutkia", sanoo Amosin kollega Gail McConnell Glasgow'n Strathclyden yliopistosta selittäen. että tutkijat ovat kiinnostuneita ehjien organismien tutkimisesta, mutta eivät halua vaarantaa niiden yksityiskohtaisuutta, jota he voivat nähdä.

Toistaiseksi tietojen tallennusala on ilmaissut kiinnostuksensa käyttää Mesolensia puolijohdemateriaalien tutkimiseen, ja öljyteollisuuden jäsenet ovat olleet kiinnostuneita käyttämään sitä materiaalien kuvaamiseen mahdollisilta porauskohteilta. Linssisuunnittelu poimii erityisen hyvin valoa, jolloin tutkijat voivat tarkkailla monimutkaisia yksityiskohtia, kuten soluja metastasoivassa kasvaimessa, joka siirtyy ulospäin. Mutta näiden uusien tekniikoiden todellinen potentiaali on vielä nähtävissä.

"Jos kehität erilaisen tavoitteen kuin mikään muu, joka on tehty viimeisen 100 vuoden aikana, se avaa kaikenlaisia tuntemattomia mahdollisuuksia", Amos sanoo. "Olemme vasta alkamassa selvittää, mitä nuo mahdollisuudet ovat."

Toimittajan huomautus, 31. maaliskuuta 2017: Tätä viestiä on muokattu heijastamaan sitä, että Leeuwenhoek ei ole parantanut yhdistemikroskooppia ja että Ruzinin kokoelma juontaa juurensa 17-luvulle.

Steven Ruzin UC Berkeleyn mukaan Hooken Micrographia, julkaistu vuonna 1665, on verrattavissa biologien Gutenbergin Raamattuun, joka sisältää ensimmäiset yksityiskohtaiset piirustukset mikroskooppinäytteistä siitepölyjyvästä kankaaseen. Jäljellä on alle 1000 kopiota, mutta kuvat inspiroivat mikroskopisteja edelleen. (Wikimedia Commons)

Kuu, joka on kuvattu Micrographiassa (Wikimedia Commons)

Alusolut ja mimoosilehdet (Wikimedia Commons)

Schem. XXXV - Tähän. Kaavio täytestä (Wikimedia Commons)

Schem. XXIX - "Suuri Belly'ed Gnat tai naaras Gnat". Esimerkki Sirn Christopher Wrenin ajateltavasta piirtämästä muurauksesta. (Wikimedia Commons)

Schem. XXIV - perhojen siipien rakenteesta ja liikkeestä. Kuva sinisestä perhosta, jonka ajatteli piirtäneen Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)