Brad Amos ha pasado la mayor parte de su vida pensando y mirando pequeños mundos. Ahora, de 71 años, trabaja como profesor visitante en la Universidad de Strathclyde en Escocia, donde dirige un equipo de investigadores que diseñan una nueva lente de microscopio extremadamente grande, aproximadamente del largo y el ancho de un brazo humano. Nombrado uno de los diez avances más importantes de Physics World en 2016, el llamado Mesolens es tan poderoso que puede generar imágenes de tumores enteros o embriones de ratón en un solo campo de visión, mientras que al mismo tiempo genera imágenes del interior de las células.
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"Tiene la gran cobertura de una lente de cámara fotográfica y la buena resolución del objetivo del microscopio, por lo que tiene las ventajas de los dos enfoques", dice Amos. "Las imágenes son extremadamente útiles".
Hoy en día, microscopistas como Amos están trabajando en todo el mundo para innovar nuevas tecnologías con aplicaciones generalizadas en medicina y salud humana. Pero estos avances de vanguardia se remontan a los primeros microscopios construidos en los siglos XVI y XVII. Aunque vanguardistas por el momento, no te impresionarían mucho; que no eran mucho más fuertes que una lupa de mano.
Amos ha estado obsesionado incluso con estos microscopios más simples desde que recibió uno para un cumpleaños cuando era niño. Su intriga en los mundos microscópicos se volvió insaciable mientras exploraba todo lo que podía encontrar, desde la fuerza dentro de pequeñas burbujas, hasta la forma en que las piezas de cobre se moldeaban bajo el pinchazo de una aguja. "Es como plastilina, puede ser muy suave", dice Amos sobre el cobre. Describe su asombro por los fenómenos que descubrió bajo el alcance que no podía ver con sus propios ojos: "Estás estudiando un mundo que ni siquiera obedece las mismas reglas de percepción".
Este tipo de curiosidad en los acontecimientos de mundos pequeños impulsó la microscopía desde su inicio. Un equipo holandés de padre e hijo llamado Hans y Zacharias Janssen inventó el primer microscopio compuesto a fines del siglo XVI cuando descubrieron que, si colocaban una lente en la parte superior e inferior de un tubo y miraban a través de él, objetos en el El otro extremo se magnificó. El dispositivo sentó las bases críticas para avances futuros, pero solo se amplió entre 3x y 9x.
La calidad de la imagen fue mediocre en el mejor de los casos, dice Steven Ruzin, un microscopista y curador de la Colección de microscopios Golub de la Universidad de California en Berkeley. "Las he fotografiado y son realmente horribles", dice Ruzin. "Las lentes de mano eran mucho mejores".
Aunque proporcionaron aumento, estos primeros microscopios compuestos no pudieron aumentar la resolución, por lo que las imágenes ampliadas aparecieron borrosas y oscurecidas. Como resultado, no se obtuvieron avances científicos significativos durante unos 100 años, dice Ruzin.
Pero a fines del siglo XVII, las mejoras en las lentes aumentaron la calidad de la imagen y el poder de aumento hasta 270x, allanando el camino para grandes descubrimientos. En 1667, el científico natural inglés Robert Hooke publicó su famoso libro Micrographia con intrincados dibujos de cientos de especímenes que observó, incluidas distintas secciones dentro de la rama de una planta herbácea. Llamó a las secciones células porque le recordaban a las células de un monasterio, y así se convirtió en el padre de la biología celular.
Dibujos de la Micrografía de Robert Hooke, donde dibujó la primera célula vegetal descubierta en esta rama de pino. (Robert Hooke, Micrografía / Wikimedia Commons) En 1676, el comerciante de telas holandés convertido en científico Antony van Leeuwenhoek mejoró aún más el microscopio con la intención de mirar la tela que vendió, pero sin darse cuenta descubrió que existen bacterias. Su hallazgo accidental abrió el campo de la microbiología y la base de la medicina moderna; Casi 200 años después, el científico francés Louis Pasteur determinaría que las bacterias eran la causa de muchas enfermedades (antes de eso, muchos científicos creían en la teoría del miasma de que el aire podrido y los malos olores nos enfermaban).
"Fue enorme", dice Kevin Eliceiri, un microscopista de la Universidad de Wisconsin Madison, sobre el descubrimiento inicial de bacterias. “Hubo mucha confusión sobre lo que te enfermó. La idea de que hay bacterias y cosas en el agua fue uno de los mayores descubrimientos de la historia ”.
Al año siguiente, en 1677, Leeuwenhoek hizo otro descubrimiento distintivo cuando identificó el esperma humano por primera vez. Un estudiante de medicina le había traído la eyaculación de un paciente con gonorrea para estudiar bajo su microscopio. Leeuwenhoek lo obligó, descubrió pequeños animales de cola, y luego encontró las mismas "animalcules" retorcidas en su propia muestra de semen. Publicó estos descubrimientos innovadores, pero, como fue el caso de las bacterias, pasaron 200 años antes de que los científicos entendieran la verdadera importancia del descubrimiento.
A fines del siglo XIX, un científico alemán llamado Walther Flemming descubrió la división celular que, décadas después, ayudó a aclarar cómo crece el cáncer, un hallazgo que hubiera sido imposible sin los microscopios.
"Si quieres poder apuntar a una parte de la membrana celular o un tumor, debes vigilarlo", dice Eliceiri.
Si bien los microscopios originales que utilizaron Hooke y Leeuwenhoek pueden haber tenido sus limitaciones, su estructura básica de dos lentes conectadas por tubos siguió siendo relevante durante siglos, dice Eliceiri. En los últimos 15 años, los avances en imágenes se han trasladado a nuevos ámbitos. En 2014, un equipo de investigadores alemanes y estadounidenses ganó el Premio Nobel de Química por un método llamado microscopía de fluorescencia de súper resolución, tan poderoso que ahora podemos rastrear proteínas individuales a medida que se desarrollan dentro de las células. Este método en evolución, hecho posible a través de una técnica innovadora que hace que los genes brillen o "fluorescentes", tiene aplicaciones potenciales en la lucha contra enfermedades como el Parkinson y el Alzheimer.
Un microscopio italiano hecho de marfil a mediados del siglo XVII, parte de la Colección Golub en UC Berkeley. (Colección Golub en UC Berkeley.) Ruzin dirige el Centro de Imágenes Biológicas en la Universidad de California en Berkeley, donde los investigadores usan la tecnología para explorar todo, desde microestructuras dentro del parásito Giardia y disposiciones de proteínas dentro de las bacterias. Para ayudar a poner en contexto la investigación moderna en microscopía, se propone compartir algunos de los artículos más antiguos de la Colección Golub, una de las colecciones más grandes exhibidas públicamente en el mundo, que contiene 164 microscopios antiguos que datan del siglo XVII, con su estudiante universitario. estudiantes Incluso les permite manejar algunos de los más antiguos de la colección, incluido uno italiano hecho de marfil alrededor de 1660.
"Digo 'no lo enfoquen porque se romperá', pero dejo que los estudiantes lo examinen y eso lo lleva a casa", dice Ruzin.
Aún así, a pesar del poder de la microscopía de súper resolución, plantea nuevos desafíos. Por ejemplo, cada vez que un espécimen se mueve a alta resolución, la imagen se vuelve borrosa, dice Ruzin. "Si una célula vibra solo por el movimiento térmico, rebotando por las moléculas de agua que la golpean porque están calientes, esto matará la súper resolución porque lleva tiempo", dice Ruzin. (Por esta razón, los investigadores generalmente no usan microscopía de súper resolución para estudiar muestras en vivo).
Pero la tecnología como el Mesolens de Amos, con un aumento mucho menor de solo 4x pero un campo de visión mucho más amplio capaz de capturar hasta 5 mm, o aproximadamente el ancho de una uña meñique, puede capturar imágenes en vivo. Esto significa que pueden ver cómo se desarrolla un embrión de ratón en tiempo real, siguiendo los genes asociados con la enfermedad vascular en los recién nacidos a medida que se incorporan al embrión. Antes de esto, los científicos usarían rayos X para estudiar la enfermedad vascular en embriones, pero no obtendrían detalles al nivel celular como lo hacen con los Mesolens, dice Amos.
"Es casi inaudito que alguien diseñe un nuevo objetivo para microscopía óptica y lo hemos hecho para tratar de acomodar los nuevos tipos de muestras que los biólogos quieren estudiar", dice el colega de Amos, Gail McConnell, de la Universidad de Strathclyde Glasgow, explicando que los científicos están interesados en estudiar organismos intactos pero no quieren comprometer la cantidad de detalles que pueden ver.
Hasta ahora, la industria del almacenamiento de datos ha expresado interés en usar Mesolens para estudiar materiales semiconductores, y los miembros de la industria petrolera han estado interesados en usarlo para obtener imágenes de materiales de posibles sitios de perforación. El diseño de la lente capta la luz particularmente bien, lo que permite a los investigadores observar cómo se desarrollan detalles complejos, como las células en un tumor en metástasis que migra hacia afuera. Pero el verdadero potencial de estas nuevas técnicas está por verse.
"Si desarrolla un objetivo diferente a todo lo que se ha hecho en los últimos 100 años, abre todo tipo de posibilidades desconocidas", dice Amos. "Estamos comenzando a llegar a cuáles son esas posibilidades".
Nota del editor, 31 de marzo de 2017: esta publicación ha sido editada para reflejar que Leeuwenhoek no mejoró el microscopio compuesto y que la colección de Ruzin data del siglo XVII.
Steven Ruzin de UC Berkeley dice que la Micrografía de Hooke, publicada en 1665, es comparable a la Biblia de biólogos de Gutenberg, que contiene los primeros dibujos detallados de muestras de microscopio que van desde granos de polen hasta telas. Quedan menos de 1, 000 copias, pero las imágenes continúan inspirando a los microscopistas en la actualidad. (Wikimedia Commons) 
La luna descrita en Micrographia (Wikimedia Commons) 
Células suber y hojas de mimosa (Wikimedia Commons) 
Esquema XXXV - De un piojo. Diagrama de un piojo (Wikimedia Commons) 
Esquema XXIX - "El gran mosquito del vientre o mosquito hembra". Una ilustración de un mosquito que se cree que fue dibujada por Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Esquema XXIV - De la estructura y movimiento de las alas de las moscas. Una ilustración de una mosca azul que se cree que fue dibujada por Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
El microscopio de Robert Hooke, boceto de su publicación original (Wikimedia Commons) 
La famosa pulga descrita en el libro Micrographia (Wikimedia Commons) 
Algún cristal descrito en Micrographia (Wikimedia Commons) 
El corcho descrito en Micrographia por Robert Hooke (Wikimedia Commons)
