LAD OS NU PRISE OPFINDELSEN AF MIKROSKOPET VIDENSKAB | SMITHSONIAN - ARTIKLER, INNOVATION, VIDENSKAB

Brad Amos har tilbragt det meste af sit liv med at tænke på og kigge ind i små verdener. Nu 71 år gammel arbejder han som gæsteprofessor ved University of Strathclyde i Skotland, hvor han leder et team af forskere, der designer et ekstremt stort nyt mikroskopobjektiv - omkring længden og bredden af en menneskelig arm. De såkaldte Mesolens er navngivet et af verdens mest ti gennembrud i fysik i 2016 og er så magtfulde, at det kan afbilde hele tumorer eller musembryoer i et synsfelt og samtidig afbilde indersiden af celler.

Relateret indhold

Prisvindende videoer Capture Mesmerizing, mikroskopisk verden
En ny teknik bringer farve til elektronmikroskopbilleder af celler
Tidlige mikroskoper afslørede en ny verden af små levende ting

”Det har den store dækning af et fotografisk kameralinsen og den fine opløsning af mikroskopmålet, så det har fordelene ved de to tilgange, ” siger Amos. ”Billederne er ekstremt nyttige.”

I dag arbejder mikroskopister som Amos over hele verden for at innovere nye teknologier med udbredte anvendelser inden for medicin og menneskers sundhed. Men disse banebrydende fremskridt sporer alle tilbage til de allerførste mikroskoper, der blev bygget i det 16. og 17. århundrede. Mens de er i forkant for tiden, ville de ikke imponere dig meget; det var ikke meget stærkere end et håndholdt forstørrelsesglas.

Amos har været besat af selv disse enkleste mikroskoper, lige siden han fik en til en fødselsdag som barn. Hans intriger i mikroskopiske verdener blev umættelige, da han udforskede alt, hvad han kunne finde, fra kraften inden for små, poppende bobler til den måde, hvorpå kobber støbt under en nålestang. ”Det er som legedej, det kan være meget blødt, ” siger Amos om kobber. Han beskriver sin ærefrygt for de fænomener, han opdagede under det omfang, som han ikke kunne se med sine blotte øjne: "Du studerer en verden, der ikke engang overholder de samme opfattelsesregler."

Denne type nysgerrighed i fremtiden for små verdener drev mikroskopi fra starten. Et hollandsk fader-søn-team ved navn Hans og Zacharias Janssen opfandt det første såkaldte sammensatte mikroskop i slutningen af 1500-tallet, da de opdagede, at hvis de satte en linse øverst og nederst i et rør og kiggede gennem det, genstande på anden ende blev forstørret. Enheden lagde kritisk grundlag for fremtidige gennembrud, men blev kun forstørret med mellem 3x og 9x.

Billedets kvalitet var i bedste fald middelmådig, siger Steven Ruzin, mikroskopist og kurator for Golub Microscope Collection på University of California i Berkeley. ”Jeg har afbildet gennem dem, og de er virkelig ret forfærdelige, ” siger Ruzin. ”Håndlinserne var meget bedre.”

Selvom de leverede forstørrelse, kunne disse første sammensatte mikroskoper ikke øge opløsningen, så forstørrede billeder syntes uskarpe og skjulte. Som et resultat kom der ingen væsentlige videnskabelige gennembrud fra dem i cirka 100 år, siger Ruzin.

Men i slutningen af 1600-tallet øgede forbedringer af linserne billedets kvalitet og forstørrelsesstyrken til op til 270x, hvilket banede vejen for større opdagelser. I 1667 udgav den engelske naturvidenskabsmand Robert Hooke berømt sin bog Micrography med indviklede tegninger af hundreder af prøver, han observerede, herunder særskilte sektioner inden for grenen af en urteagtig plante. Han kaldte sektionen celler, fordi de mindede ham om celler i et kloster - og dermed blev far til cellulærbiologi.

Tegninger fra Robert Hookes Micrografy, hvor han tegner den første plantecelle, der nogensinde er opdaget i denne fyrretræk. (Robert Hooke, Micrografy / Wikimedia Commons)

I 1676 forbedrede den hollandske stofhandler-vendte videnskabsmand Antony van Leeuwenhoek mikroskopet yderligere med det formål at se på det stof, han solgte, men gjorde uforvarende den banebrydende opdagelse af, at der findes bakterier. Hans utilsigtede fund åbnet området mikrobiologi og grundlaget for moderne medicin; næsten 200 år senere ville den franske videnskabsmand Louis Pasteur bestemme, at bakterier var årsagen bag mange sygdomme (før det troede mange forskere på miasmateorien om, at rådne luft og dårlig lugt gjorde os syge).

”Det var enormt, ” siger Kevin Eliceiri, en mikroskopist ved University of Wisconsin Madison, om den første opdagelse af bakterier. ”Der var meget forvirring omkring, hvad der gjorde dig syg. Ideen om, at der er bakterier og ting i vandet, var en af de største opdagelser nogensinde. ”

Det næste år, i 1677, gjorde Leeuwenhoek endnu en kendetegnende opdagelse, da han identificerede menneskelig sæd for første gang. En medicinsk studerende havde bragt ham ejakulatet fra en gonorépatient for at studere under sit mikroskop. Leeuwenhoek forpligtede sig til, opdagede små halefyldte dyr og fortsatte med at finde de samme krøllende "dyrestammer" i sin egen sædprøve. Han offentliggjorde disse banebrydende fund, men som det var tilfældet med bakterier, var der 200 år, før forskerne forstod den sande betydning af opdagelsen.

I slutningen af 1800-tallet opdagede en tysk videnskabsmand ved navn Walther Flemming celledeling, der årtier senere var med til at afklare, hvordan kræft vokser - en konstatering, der ville have været umulig uden mikroskoper.

”Hvis du vil være i stand til at målrette mod en del af cellemembranen eller en tumor, er du nødt til at se den, ” siger Eliceiri.

Mens de originale mikroskoper, som Hooke og Leeuwenhoek brugte, måske havde haft deres begrænsninger, forblev deres grundlæggende struktur af to linser forbundet med et rør relevant i århundreder, siger Eliceiri. I de sidste 15 år er fremskridt inden for billeddannelse flyttet til nye verdener. I 2014 vandt et team af tyske og amerikanske forskere Nobelprisen i kemi for en metode kaldet superopløsnings-fluorescensmikroskopi, så kraftig, at vi nu kan spore enkeltproteiner, når de udvikler sig i celler. Denne udviklingsmetode, der er muliggjort gennem en innovativ teknik, der får gener til at glødes eller "fluorescerer", har potentielle anvendelser i bekæmpelse af sygdomme som Parkinsons og Alzheimers.

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

Ruzin leder den biologiske billeddannelsesfacilitet ved University of California i Berkeley, hvor forskere bruger teknologien til at udforske alt fra mikrostrukturer inden for Giardia-parasitten og arrangementer af proteiner i bakterier. For at hjælpe med at bringe moderne mikroskopiforskning i sammenhæng gør han opmærksom på at dele nogle af de ældste genstande fra Golub-samlingen - en af de største offentligt viste samlinger i verden med 164 antikke mikroskoper fra 1700-tallet med sin bachelor studerende. Han lader dem endda håndtere nogle af de ældste i samlingen, herunder en italiensk lavet af elfenben omkring 1660.

”Jeg siger 'fokuser ikke på det, fordi det går i stykker, ' men jeg lader eleverne se igennem det, og det bringer det slags hjem, ” siger Ruzin.

Trods kraften i superopløsningsmikroskopi udgør den stadig nye udfordringer. For eksempel, når billedet bevæger sig under høj opløsning, sløres billedet, siger Ruzin. ”Hvis en celle vibrerer bare ved termisk bevægelse, der hopper rundt af vandmolekyler, der rammer den, fordi de er varme, vil dette dræbe superopløsning, fordi det tager tid, ” siger Ruzin. (Af denne grund bruger forskere generelt ikke superopløsningsmikroskopi til at studere levende prøver.)

Men teknologi som Amos Mesolens - med en langt lavere forstørrelse på kun 4x men et meget bredere synsfelt, der er i stand til at fange op til 5 mm, eller omkring bredden af en lyserød fingernegle - kan forestille et levende eksemplar. Dette betyder, at de kan se et musembryo udvikle sig i realtid efter gener, der er forbundet med vaskulær sygdom hos nyfødte, efterhånden som de bliver integreret i embryoet. Før dette ville forskere bruge røntgenstråler til at studere vaskulær sygdom hos embryoner, men ville ikke få detaljer ned til det cellulære niveau, som det gør med mesolerne, siger Amos.

”Det er næsten uhørt for nogen at designe en ny objektivlinse til lysmikroskopi, og vi har gjort dette for at forsøge at imødekomme de nye typer prøver, som biologer vil studere, ” siger Amos 'kollega Gail McConnell ved University of Strathclyde Glasgow og forklarer at forskere er interesseret i at studere intakte organismer, men ikke ønsker at gå på kompromis med mængden af detaljer, de kan se.

Indtil videre har datalagringsindustrien udtrykt interesse for at bruge Mesolens til at studere halvledermaterialer, og medlemmer af olieindustrien har været interesseret i at bruge det til billedmaterialer fra potentielle boresteder. Linsedesignet optager lys især godt, hvilket gør det muligt for forskere at se komplicerede detaljer udfolde sig, såsom celler i en metastaserende tumor, der migrerer udad. Men det virkelige potentiale ved disse nye teknikker er stadig at se.

”Hvis du udvikler et andet mål end noget, der er gjort i de sidste 100 år, åbner det for alle mulige ukendte muligheder, ” siger Amos. ”Vi er lige begyndt at finde ud af, hvad disse muligheder er.”

Redaktørens note 31. marts 2017: Dette indlæg er redigeret for at afspejle, at Leeuwenhoek ikke forbedrede det sammensatte mikroskop, og at Ruzins samling går tilbage til det 17. århundrede.

Steven Ruzin ved UC Berkeley siger, at Hookes Micrografy, der blev offentliggjort i 1665, kan sammenlignes med biologerne fra Gutenberg Bibelen, der indeholder de første detaljerede tegninger af mikroskopeksempler, der spænder fra pollenkorn til klud. Der er stadig færre end 1.000 eksemplarer, men billederne inspirerer fortsat mikroskopister i dag. (Wikimedia Commons)

Månen beskrevet i Micrografy (Wikimedia Commons)

Suberceller og mimosa blade (Wikimedia Commons)

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

Schem. XXIX - "Den store mave-nat eller kvindelig nat". En illustration af en Gnat, som menes at være tegnet af Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)

Schem. XXIV - Af strukturen og bevægelsen af vingerne af fluer. En illustration af en blå flue, som man troede var tegnet af Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)