Dicsőítsük most a mikroszkóp feltalálását

Most 71 éves, és vendégprofesszorként dolgozik a skóciai Strathclyde Egyetemen, ahol egy kutatócsoportot vezet, amely egy rendkívül nagyméretű új mikroszkóplencsét tervez - körülbelül akkorát, mint egy emberi kar hossza és szélessége. Az úgynevezett Mesolens, amelyet a Physics World 2016 tíz legjobb áttörése közé választott, olyan nagy teljesítményű, hogy egy látómezőben egész tumorokat vagy egérembriókat képes leképezni, miközben egyidejűleg a sejtek belsejét is leképezi.

"A fényképezőgép objektívjének nagy lefedettségével és a mikroszkóp objektívjének finom felbontásával rendelkezik, így a két megközelítés előnyeit egyesíti" - mondja Amos. "A képek rendkívül hasznosak."Napjainkban az Amoshoz hasonló mikroszkópikusok világszerte olyan új technológiák kifejlesztésén dolgoznak, amelyek széles körű alkalmazásokat biztosítanak az orvostudományban és az emberi egészségügyben. De ezek az élvonalbeli fejlesztések mind a 16. és 17. században épített legelső mikroszkópokig nyúlnak vissza. Bár az akkori viszonylatban korszerűek voltak, mégsem nyűgöztek le különösebben; nem voltak sokkal erősebbek egy kézi nagyítónál.

Amos azóta megszállottja ezeknek a legegyszerűbb mikroszkópoknak is, amióta gyerekkorában kapott egyet születésnapjára. A mikroszkopikus világok iránti intrikája kielégíthetetlenné vált, ahogy mindent felfedezett, amit csak talált, az apró, pukkanó buborékokban rejlő erőtől kezdve egészen addig, ahogyan a rézdarabok egy tű szúrása alatt formálódnak. "Olyan, mint a játékgyurma, nagyon puha tud lenni" - mondja Amos a rézről. Leírja, hogy milyen csodálattal figyelte a távcső alatt felfedezett jelenségeket, amelyeket puszta szemmel nem láthatott: "Olyan világot tanulmányozol, amely nem is engedelmeskedik az érzékelés szabályainak".

Az apró világok történései iránti ilyen típusú kíváncsiság hajtotta a mikroszkópiát a kezdetektől fogva. Egy Hans és Zacharias Janssen nevű holland apa-fiú páros a 16. század végén találta fel az első úgynevezett összetett mikroszkópot, amikor felfedezték, hogy ha egy cső tetejére és aljára egy-egy lencsét helyeznek, és azon keresztül néznek át, a másik végén lévő tárgyak nagyítottá válnak. A készülék kritikus alapokat teremtett a későbbi áttörésekhez, de csak 3x és 9x között nagyított.

A kép minősége a legjobb esetben is csak közepes volt - mondja Steven Ruzin, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem mikroszkópológusa és a Golub-mikroszkópgyűjtemény kurátora. "Képeket készítettem rajtuk keresztül, és tényleg elég borzalmasak" - mondja Ruzin. "A kézi lencsék sokkal jobbak voltak."

Bár nagyítást biztosítottak, ezek az első összetett mikroszkópok nem tudták növelni a felbontást, így a nagyított képek elmosódottak és homályosak voltak. Ennek eredményeképpen körülbelül 100 évig nem születtek jelentős tudományos áttörések, mondja Ruzin. Az 1600-as évek végére azonban a lencsék továbbfejlesztésével a kép minősége és a nagyítóerő akár 270-szeresre nőtt, ami jelentős felfedezések előtt nyitotta meg az utat. 1667-ben Robert Hooke angol természettudós közismerten kiadta Micrographia című könyvét, amelyben több száz megfigyelt példány bonyolult rajzai szerepelnek, köztük egy lágyszárú növény ágán belül elkülönülő részek. A részeket sejteknek nevezte el, mert egy kolostor sejtjeire emlékeztették - és ezzel a sejtbiológia atyjává vált.

1676-ban Antony van Leeuwenhoek holland szövetkereskedőből lett tudós továbbfejlesztette a mikroszkópot azzal a szándékkal, hogy az általa eladott szöveteket vizsgálja, de véletlenül azt az úttörő felfedezést tette, hogy léteznek baktériumok. Véletlen felfedezése megnyitotta a mikrobiológia területét és a modern orvostudomány alapjait; közel 200 évvel később Louis Pasteur francia tudós megállapította, hogy számos betegség hátterében baktériumok állnak (előtte sok tudós hitt a miasmák elméletében, miszerint a rothadt levegő és a rossz szagok megbetegítenek minket).

"Óriási dolog volt" - mondja Kevin Eliceiri, a Wisconsin Madisoni Egyetem mikroszkópológusa a baktériumok első felfedezéséről. "Nagy volt a zűrzavar azzal kapcsolatban, hogy mi betegít meg. A gondolat, hogy baktériumok és dolgok vannak a vízben, az egyik legnagyobb felfedezés volt". A következő évben, 1677-ben Leeuwenhoek egy másik korszakalkotó felfedezést tett, amikor először azonosította az emberi spermiumot. Egy orvostanhallgató hozta neki egy gonorrheás beteg ejakulátumát, hogy mikroszkópja alatt tanulmányozza.

Leeuwenhoek engedelmeskedett, apró farkasállatkákat fedezett fel, majd ugyanezeket a vonagló "állatkákat" találta meg saját spermamintájában is. Ezeket az úttörő felfedezéseket közzétette, de - a baktériumokhoz hasonlóan - 200 év telt el, mire a tudósok megértették a felfedezés valódi jelentőségét.

Az 1800-as évek végén egy Walther Flemming nevű német tudós felfedezte a sejtosztódást, amely évtizedekkel később segített tisztázni, hogyan növekszik a rák - ez a felfedezés mikroszkópok nélkül lehetetlen lett volna.

"Ha a sejtmembrán egy részét vagy egy daganatot akarunk megcélozni, akkor figyelnünk kell rá" - mondja Eliceiri. Bár a Hooke és Leeuwenhoek által használt eredeti mikroszkópoknak megvoltak a maguk korlátai, a két, csővel összekötött lencséből álló alapszerkezetük évszázadokon át releváns maradt, mondja Eliceiri. Az elmúlt 15 évben a képalkotás fejlődése új területekre lépett. 2014-ben egy német és amerikai kutatókból álló csapat elnyerte a kémiai Nobel-díjat a szuperfelbontású fluoreszcencia-mikroszkópiának nevezett módszerért, amely olyan nagy teljesítményű, hogy ma már egyes fehérjéket is nyomon tudunk követni, ahogyan azok a sejtekben fejlődnek.

Ez a fejlődő módszer, amelyet egy innovatív technika tesz lehetővé, amely a géneket izzóvá vagy "fluoreszkálóvá" teszi, potenciális alkalmazásokat kínál az olyan betegségek elleni küzdelemben, mint a Parkinson-kór és az Alzheimer-kór. Ruzin vezeti a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem Biológiai Képalkotó Létesítményét, ahol a kutatók a Giardia parazitán belüli mikrostruktúráktól kezdve a baktériumokban található fehérjék elrendeződéséig mindenfélét feltárnak ezzel a technológiával. A modern mikroszkópiai kutatások kontextusba helyezése érdekében a Golub-gyűjtemény - a világ egyik legnagyobb nyilvánosan kiállított gyűjteménye, amely 164 antik mikroszkópot tartalmaz a 17. századig visszamenőleg - legrégebbi darabjait osztja meg egyetemi hallgatóival. Még azt is megengedi nekik, hogy a gyűjtemény legrégebbi darabjait, köztük egy 1660 körül elefántcsontból készült olasz mikroszkópot is kézbe vegyenek.

"Azt mondom, hogy "ne fókuszáld, mert el fog törni", de hagyom, hogy a diákok átnézzék, és ez egyfajta otthonosságot hoz" - mondja Ruzin. A szuperfelbontású mikroszkópia ereje ellenére új kihívásokat is jelent. Ruzin szerint például bármikor, amikor a nagy felbontás alatt a minta megmozdul, a kép elmosódik. "Ha egy sejt csak a hőmozgás miatt rezeg, és a meleg miatt rácsapódó vízmolekulák miatt pattog, ez megöli a szuperfelbontást, mert időbe telik" - mondja Ruzin. (Emiatt a kutatók általában nem használják a szuperfelbontású mikroszkópiát élő minták tanulmányozására).

De az olyan technológia, mint az Amos Mesolens - amely sokkal kisebb, mindössze 4x-es nagyítással, de sokkal szélesebb látómezővel rendelkezik, és akár 5 mm-es, vagyis körülbelül egy kisujjköröm szélességű képet is képes rögzíteni - képes élő mintát leképezni. Ez azt jelenti, hogy valós időben figyelhetik egy egérembrió fejlődését, és követhetik az újszülöttek érbetegségeivel összefüggésbe hozható géneket, amint azok beépülnek az embrióba. Ezt megelőzően a tudósok röntgensugarakkal tanulmányozták az embriók érrendszeri betegségeit, de nem tudtak olyan részletességgel lejutni a sejtek szintjére, mint a Mesolens segítségével - mondja Amos.

"Szinte példátlan, hogy valaki új objektívet tervezzen a fénymikroszkópiához, és mi azért tettük ezt, hogy megpróbáljunk alkalmazkodni a biológusok által tanulmányozni kívánt új típusú mintákhoz" - mondja Amos kollégája, Gail McConnell a Glasgow-i Strathclyde Egyetemen, és elmagyarázza, hogy a tudósok az ép szervezetek tanulmányozásában érdekeltek, de nem akarnak kompromisszumot kötni a látható részletek mennyiségében. Eddig az adattároló ipar érdeklődött a Mesolens iránt, hogy félvezető anyagok tanulmányozására használja, az olajipar tagjai pedig a leendő fúrási helyek anyagainak leképezésére érdeklődtek.

A lencse kialakítása különösen jól veszi fel a fényt, lehetővé téve a kutatók számára, hogy megfigyelhessék a bonyolult részletek kibontakozását, például egy áttétet képező daganat sejtjeinek vándorlását kifelé. Az új technikákban rejlő valódi lehetőségeket azonban még nem ismerjük. "Ha egy olyan célt dolgozunk ki, amely különbözik az elmúlt 100 év minden más termékétől, az mindenféle ismeretlen lehetőséget nyit meg" - mondja Amos. "Mi még csak most kezdjük megismerni ezeket a lehetőségeket."