Brad Amos ha trascorso gran parte della sua vita a pensare e ad esplorare piccoli mondi. Ora 71 anni, lavora come professore ospite all'Università di Strathclyde, in Scozia, dove guida un team di ricercatori che progetta una lente microscopica estremamente grande, circa la lunghezza e la larghezza di un braccio umano. Nominato uno dei dieci principali passi avanti nel mondo della fisica nel 2016, il cosiddetto Mesolens è così potente che può immaginare interi tumori o embrioni di topo in un campo visivo mentre contemporaneamente immagina l'interno delle cellule.
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"Ha la grande copertura di un obiettivo fotografico e la risoluzione fine dell'obiettivo del microscopio, quindi ha i vantaggi dei due approcci", afferma Amos. "Le immagini sono estremamente utili."
Oggi microscopisti come Amos stanno lavorando in tutto il mondo per innovare nuove tecnologie con applicazioni diffuse in medicina e salute umana. Ma questi avanzamenti all'avanguardia risalgono tutti ai primissimi microscopi costruiti nel XVI e XVII secolo. Mentre all'avanguardia per il momento, non ti impressionerebbero molto; non era molto più forte di una lente d'ingrandimento portatile.
Amos è stato ossessionato anche da questi microscopi più semplici da quando ne ha preso uno per un compleanno da bambino. Il suo intrigo nei mondi microscopici divenne insaziabile mentre esplorava tutto ciò che riusciva a trovare, dalla forza all'interno di minuscole bolle scoppiettanti al modo in cui pezzi di rame modellati sotto il colpo di un ago. "È come un impasto, può essere molto morbido", dice Amos del rame. Descrive il suo timore reverenziale per i fenomeni che scoprì sotto la portata che non poteva vedere a occhi nudi: "Stai studiando un mondo che non obbedisce nemmeno alle stesse regole di percezione".
Questo tipo di curiosità negli avvenimenti di piccoli mondi ha spinto la microscopia sin dal suo inizio. Una squadra olandese padre-figlio di nome Hans e Zacharias Janssen inventò il primo cosiddetto microscopio composto alla fine del XVI secolo quando scoprirono che, se mettevano una lente nella parte superiore e inferiore di un tubo e guardavano attraverso di essa, gli oggetti sul l'altra estremità divenne ingrandita. Il dispositivo ha gettato le basi critiche per future scoperte, ma solo ingrandito tra 3x e 9x.
La qualità dell'immagine era al massimo mediocre, afferma Steven Ruzin, un microscopista e curatore della Collezione di microscopi Golub dell'Università della California a Berkeley. "Ho immaginato attraverso di loro e sono davvero terribili", dice Ruzin. "Le lenti delle mani erano molto migliori."
Sebbene fornissero un ingrandimento, questi primi microscopi composti non potevano aumentare la risoluzione, quindi le immagini ingrandite apparivano sfocate e oscurate. Di conseguenza, nessuna scoperta scientifica significativa è arrivata da loro per circa 100 anni, afferma Ruzin.
Ma alla fine del 1600, i miglioramenti degli obiettivi aumentarono la qualità dell'immagine e il potere d'ingrandimento fino a 270x, aprendo la strada a importanti scoperte. Nel 1667, lo scienziato naturale inglese Robert Hooke pubblicò notoriamente il suo libro Micrographia con intricati disegni di centinaia di esemplari che osservava, comprese sezioni distinte all'interno del ramo di una pianta erbacea. Chiamò le sezioni celle perché gli ricordavano le cellule di un monastero e divenne così il padre della biologia cellulare.
Disegni dalla Micrografia di Robert Hooke, dove disegna la prima cellula vegetale mai scoperta in questo ramo di pino. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons) Nel 1676, Antony van Leeuwenhoek, scienziato e commerciante olandese di tessuti, migliorò ulteriormente il microscopio con l'intento di guardare il tessuto che vendeva, ma inavvertitamente fece la scoperta rivoluzionaria dell'esistenza di batteri. La sua scoperta accidentale ha aperto il campo della microbiologia e le basi della medicina moderna; quasi 200 anni dopo, lo scienziato francese Louis Pasteur avrebbe determinato che i batteri erano la causa di molte malattie (prima ancora, molti scienziati credevano nella teoria del miasma che l'aria marcia e i cattivi odori ci facessero ammalare).
"È stato enorme", afferma Kevin Eliceiri, un microscopista dell'Università del Wisconsin Madison, della scoperta iniziale dei batteri. “C'era molta confusione su ciò che ti ha fatto ammalare. L'idea che ci siano batteri e cose nell'acqua è stata una delle più grandi scoperte di sempre ”.
L'anno successivo, nel 1677, Leeuwenhoek fece un'altra scoperta distintiva quando identificò per la prima volta lo sperma umano. Uno studente di medicina gli aveva portato l'eiaculato di un paziente con gonorrea da studiare al microscopio. Leeuwenhoek fu obbligato, scoprì minuscoli animali dalla coda e continuò a trovare le stesse "animalette" contorte nel proprio campione di seme. Ha pubblicato queste scoperte rivoluzionarie ma, come nel caso dei batteri, sono trascorsi 200 anni prima che gli scienziati comprendessero il vero significato della scoperta.
Alla fine del 1800, uno scienziato tedesco di nome Walther Flemming scoprì la divisione cellulare che, decenni dopo, aiutò a chiarire come cresce il cancro, una scoperta che sarebbe stata impossibile senza microscopi.
"Se vuoi essere in grado di colpire parte della membrana cellulare o un tumore, devi guardarlo", afferma Eliceiri.
Mentre i microscopi originali utilizzati da Hooke e Leeuwenhoek potevano avere i loro limiti, la loro struttura di base di due lenti collegate da un tubo è rimasta rilevante per secoli, afferma Eliceiri. Negli ultimi 15 anni, i progressi nell'imaging sono passati a nuovi regni. Nel 2014, un team di ricercatori tedeschi e americani ha vinto il premio Nobel per la chimica per un metodo chiamato microscopia a fluorescenza a super risoluzione, così potente che ora possiamo monitorare singole proteine mentre si sviluppano all'interno delle cellule. Questo metodo in evoluzione, reso possibile da una tecnica innovativa che fa brillare o "fluorurare" i geni, ha potenziali applicazioni nella lotta contro malattie come il Parkinson e l'Alzheimer.
Un microscopio italiano realizzato in avorio a metà del 1600, parte della Collezione Golub presso UC Berkeley. (Collezione Golub presso UC Berkeley.) Ruzin dirige il Biological Imaging Facility presso l'Università della California a Berkeley, dove i ricercatori usano la tecnologia per esplorare qualsiasi cosa, dalle microstrutture all'interno del parassita di Giardia e la disposizione delle proteine all'interno dei batteri. Per contribuire a mettere in contesto la moderna ricerca sulla microscopia, si propone di condividere alcuni dei più antichi oggetti della Collezione Golub - una delle più grandi collezioni esposte pubblicamente al mondo, contenenti 164 microscopi antichi risalenti al 17 ° secolo - con il suo studente universitario studenti. Li lascia persino gestire alcuni dei più antichi della collezione, incluso uno italiano in avorio intorno al 1660.
"Dico 'non concentrarti perché si romperà', ma lascio che gli studenti lo guardino, e in qualche modo lo riporta a casa", dice Ruzin.
Tuttavia, nonostante il potere della microscopia a super risoluzione, pone nuove sfide. Ad esempio, ogni volta che un campione si sposta ad alta risoluzione, l'immagine si sfoca, afferma Ruzin. "Se una cellula vibra solo per il movimento termico, rimbalzando intorno alle molecole d'acqua colpendole perché sono calde, questo ucciderà la super risoluzione perché richiede tempo", afferma Ruzin. (Per questo motivo, i ricercatori generalmente non usano la microscopia a super risoluzione per studiare campioni vivi.)
Ma una tecnologia come la Mesolens di Amos — con un ingrandimento molto più basso di appena 4x ma un campo visivo molto più ampio in grado di catturare fino a 5 mm, o circa la larghezza di un'unghia mignolo — può immaginare un campione vivo. Ciò significa che possono osservare lo sviluppo di un embrione di topo in tempo reale, seguendo i geni associati alla malattia vascolare nei neonati quando vengono incorporati nell'embrione. Prima di questo, gli scienziati avrebbero usato i raggi X per studiare le malattie vascolari negli embrioni, ma non avrebbero ottenuto i dettagli a livello cellulare come fanno con i Mesolens, dice Amos.
"È quasi inaudito per chiunque progettare un nuovo obiettivo per microscopia ottica e lo abbiamo fatto per cercare di accogliere i nuovi tipi di campioni che i biologi vogliono studiare", afferma il collega di Amos Gail McConnell all'Università di Strathclyde Glasgow, spiegando che gli scienziati sono interessati a studiare organismi intatti ma non vogliono compromettere la quantità di dettagli che possono vedere.
Finora, l'industria della memorizzazione dei dati ha espresso interesse nell'uso dei Mesolens per lo studio dei materiali a semiconduttore e i membri dell'industria petrolifera si sono interessati a utilizzarlo per immagini di materiali da potenziali siti di perforazione. Il design delle lenti raccoglie la luce particolarmente bene, consentendo ai ricercatori di osservare i dettagli complessi come le cellule di un tumore metastatizzante che migra verso l'esterno. Ma il vero potenziale di queste nuove tecniche resta da vedere.
"Se sviluppi un obiettivo diverso da qualsiasi cosa sia stata creata negli ultimi 100 anni, si aprono tutti i tipi di possibilità sconosciute", afferma Amos. "Stiamo appena iniziando a capire quali sono queste possibilità."
Nota del redattore, 31 marzo 2017: Questo post è stato modificato per riflettere che Leeuwenhoek non ha migliorato il microscopio composto e che la collezione di Ruzin risale al 17 ° secolo.
Steven Ruzin alla UC Berkeley afferma che la Micrographia di Hooke, pubblicata nel 1665, è paragonabile alla Bibbia dei biologi di Gutenberg, che contiene i primi disegni dettagliati di campioni di microscopi che vanno dai granuli di polline ai tessuti. Rimangono meno di 1.000 copie, ma le immagini continuano a ispirare i microscopisti oggi. (Wikimedia Commons) 
La luna descritta in Micrographia (Wikimedia Commons) 
Cellule tenere e foglie di mimosa (Wikimedia Commons) 
Schem. XXXV - Di un pidocchio. Schema di un pidocchio (Wikimedia Commons) 
Schem. XXIX - "Il grande moscerino del ventre o moscerino femminile". Un'illustrazione di uno Gnat che si pensava fosse stata disegnata da Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Schem. XXIV - Della struttura e del movimento delle Ali delle Mosche. Un'illustrazione di una mosca blu pensata per essere stata disegnata da Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Il microscopio di Robert Hooke, schizzo della sua pubblicazione originale (Wikimedia Commons) 
La famosa pulce descritta nel libro Micrographia (Wikimedia Commons) 
Alcuni cristalli descritti in Micrographia (Wikimedia Commons) 
Il tappo descritto in Micrographia da Robert Hooke (Wikimedia Commons)
