Siden dens begyndelse for over 400 år siden har mikroskopi lavet spring og grænser - endda nulstilling på individuelle atomer. Som Nick Lunn rapporterer for National Geographic, tager en ny type mikroskopi marken endnu et stort skridt foran, idet den tager højopløsnings 3D-billeder af levende celler, når de bevæger sig og fungerer inden for organismer.
De fleste mikroskoper er for langsomme til at fange cellulære bevægelser i 3D, ifølge en pressemeddelelse fra Howard Hughes Medical Institute, som samarbejdede om den nye maskine. Og selvom forskere har afbildet levende celler, er det vanskeligt at få billeder i høj opløsning af grupper af celler. Højdrevet moderne mikroskopi bader også celler i kraftigt lys, nogle gange tusinder eller millioner af gange mere intens end solen, hvilket kan ændre deres opførsel eller endda skade de små motiver.
”Dette rejser den irriterende tvivl om, at vi ikke ser celler i deres oprindelige tilstand, der heldigvis er bundet af den organisme, som de udviklede sig i, ” siger Eric Betzig, kemi Nobelprisvinderen og projektteamleder hos Howard Hughes. ”Det siges ofte, at det at se er tro, men når det kommer til cellebiologi, tror jeg, at det mere passende spørgsmål er, ” Hvornår kan vi tro på det, vi ser? ”
Et særligt problem med at kigge på indersiden af levende organismer er, at motivets overflade har en tendens til at sprede lys og forvrænge billedet. Og jo dybere du ser, jo værre er problemet. For at løse problemet bruger det nye omfang en teknik fra astrofysik kaldet adaptiv optik. Ligesom jordbaserede teleskoper på ny tidsalder, der er i stand til at korrigere for billedvridning forårsaget af Jordens atmosfære, kan omfanget korrigere for de forvrængninger, der forårsages af overfladespredning.
”Hvis du kan måle, hvordan lyset er fordrejet, kan du ændre spejlets form for at skabe en lige og modsat forvrængning, der derefter annullerer disse afvigelser, ” fortæller Betzig til Lunn.
En anden avanceret teknik, der hjælper med at få dette nye omfang til at fungere, kaldes gitter-lysarkmikroskopi, en teknik, som Betzig var banebrydende tidligere i dette årti. I stedet for at bade en prøve i ødelæggende stråler med høj intensitet, fejer mikroskopet et ultratyndt lysark over prøven, hvilket genererer masser af 2-D-billeder i høj opløsning. Disse stables derefter for at oprette 3D-billeder uden blegning eller beskadigelse af prøven. Resultatet af de to teknikker er et klart 3D-billede af celler, der opfører sig naturligt. En detaljeret beskrivelse af teknikken vises i tidsskriftet Science .
”At studere cellen på et dækglas er som at se en løve i zoologisk have - du ser ikke nøjagtigt deres oprindelige opførsel, ” fortæller Betzig Lunn. ”[Brug af omfanget] er som at se løven jage en antilope på savannen. Du ser endelig cellernes sande natur. ”
De hidtil oprettede billeder er betagende. Som Brandon Specktor på LiveScience rapporterer, fokuserede forskerne på gennemsigtige zebrafisk, nematoder og kræftceller. Deres første 3D-film inkluderer kræftceller, der bevæger sig gennem blodkar, immunceller, der sluger sukkermolekyler og celler, der deler sig i detaljer.
Endnu mere spændende end det fine billedsprog er, at intensiteten af detaljer gør det muligt for forskere at "eksplodere" det væv, de ser, for at se på individuelle celler. ”Hver gang vi har udført et eksperiment med dette mikroskop, har vi observeret noget nyt - og genereret nye ideer og hypoteser til test, ” siger Tomas Kirchhausen, senior efterforsker ved Boston Children's Hospital i en pressemeddelelse. ”Det kan bruges til at undersøge næsten ethvert problem i et biologisk system eller organisme, jeg kan tænke på.”
Det vil tage et stykke tid for denne mikroskopirevolution at gøre det ud af laboratoriet og ind i andre universiteter og hospitaler. Som Specktor rapporterer, er det første mikroskop et "Frankensteins monster" brostensbelagt sammen med bits og stykker fra andre mikroskoper og maskiner. Det indtager i øjeblikket et ti fod langt bord og kræver tilpasset software til at fungere.
Men ifølge pressemeddelelsen vil to andengenerationsomfang, der vil blive til huse i samarbejdslaboratorier, kun tage plads på et skrivebord og vil være tilgængelige for forskere fra hele verden, der ansøger om at bruge dem. Holdet offentliggør også planerne for instrumentet, så andre institutioner kan prøve at bygge deres egne. Måske om ti år, fortæller Betzig Specktor, vil en mindre, overkommelig model være kommercielt tilgængelig.
Indtil da er de nye billeder nødt til at tidevende os. Vi er enige med Betzig, der fortæller Lunn, at den første gang, han så billeder fra omfanget "var for fabelagtig." Dette er selvfølgelig videnskabelig jargon til "virkelig pæn."
