Современные микроскопы и их возможности сообщение. Современные микроскопы: революционные возможности для изучения клеточной биологии

Какие передовые технологии микроскопии доступны сегодня ученым. Как новейшие микроскопы позволяют заглянуть в мельчайшие структуры клеток. Какие преимущества дают современные методы визуализации для исследований в области клеточной биологии.

Революция в области микроскопии открывает новые горизонты для клеточной биологии

За последнее десятилетие в области микроскопии произошел настоящий прорыв, который позволил ученым заглянуть в мир клеток с беспрецедентной детализацией. Новейшие методы визуализации дают возможность наблюдать процессы и структуры, которые ранее были недоступны для изучения.

По словам Энн Ридли, президента Британского общества клеточной биологии, «За последние десять лет появились новые методы, которые позволяют нам видеть вещи внутри клеток, которые мы не могли разглядеть раньше». Теперь ученые могут в реальном времени наблюдать взаимодействие белков, работу ферментов и получать детальные структуры белковых комплексов.

Ключевые достижения в технологиях микроскопии

Среди наиболее значимых инноваций в области микроскопии можно выделить:

• Флуоресцентная микроскопия сверхвысокого разрешения
• Электронная криомикроскопия (крио-ЭМ)
• Конфокальная микроскопия
• Листовая микроскопия
• Микроскопия со структурированным освещением

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и ограничения. Например, флуоресцентная микроскопия позволяет наблюдать живые образцы в реальном времени, но имеет ограниченное разрешение. Электронная микроскопия обеспечивает сверхвысокое разрешение, но требует фиксации образцов.

Междисциплинарный подход — ключ к прогрессу в микроскопии

Стремительное развитие методов микроскопии стало возможным благодаря сотрудничеству ученых из разных областей. Физики разработали более совершенные детекторы, химики создали яркие флуоресцентные зонды, а специалисты по обработке данных усовершенствовали методы анализа изображений.

«Ускорение визуализации стало возможным благодаря этой невероятной синергии», — отмечает Дженнифер Липпинкотт-Шварц, один из пионеров в области флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения.

Новые возможности для исследований в клеточной биологии

Современные методы микроскопии открывают перед учеными широчайшие перспективы. Теперь стало возможным:

• Наблюдать взаимодействие различных органелл в трехмерном пространстве
• Изучать механизмы клеточного деления на молекулярном уровне
• Отслеживать движение отдельных белков внутри живых клеток
• Получать атомарные структуры крупных белковых комплексов

Как отмечает Липпинкотт-Шварц: «Эти методы открывают огромные перспективы для типов вопросов, на которые мы можем ответить».

Карьерные перспективы в области передовой микроскопии

Овладение новейшими методами визуализации может стать отличным карьерным выбором для молодых ученых. Дэвид Барфорд из Лаборатории молекулярной биологии MRC отмечает растущий интерес фармацевтических компаний к крио-ЭМ для поиска новых мишеней для лекарств.

Эксперты советуют начинающим исследователям использовать любую возможность познакомиться с различными методами визуализации во время обучения. «Даже если вы не станете экспертом, например, в электронной микроскопии, поработав в этой области пару месяцев, вы поймете, что она может, а что нет», — рекомендует Энн Ридли.

Специализация или сотрудничество: выбор стратегии

Перед молодыми учеными встает вопрос: специализироваться на конкретной методике микроскопии или сотрудничать со специалистами в этой области? Оба подхода имеют свои преимущества.

Специализация позволяет глубоко освоить метод и вносить вклад в его развитие. По мнению Барфорда, «Если вы станете просто пользователем, а не разработчиком, это ограничит ваш будущий потенциал для внесения вклада в эту область».

С другой стороны, сотрудничество дает возможность использовать широкий спектр методов в своих исследованиях. Многие ведущие лаборатории предпочитают именно такой подход.

Ключевые конференции по клеточной биологии и микроскопии

Для ученых, желающих быть в курсе последних достижений, важно участвовать в профильных научных мероприятиях. Среди наиболее значимых конференций можно выделить:

• Совместное собрание Американского общества клеточной биологии и Европейской организации молекулярной биологии
• Симпозиум «Увидеть — значит поверить» по передовым методам визуализации
• Конференции по отдельным методам микроскопии (крио-ЭМ, флуоресцентная микроскопия и др.)

Участие в таких мероприятиях позволяет не только получить актуальную информацию, но и наладить контакты с ведущими специалистами в области.

Будущее клеточной биологии: визуализация как ключ к открытиям

Эксперты уверены, что развитие методов визуализации будет и дальше определять прогресс в клеточной биологии. «Когда вы визуализируете, вы сначала наблюдаете, затем генерируете гипотезы, а затем разрабатываете подходы для проверки своих гипотез. Это идеальный путь для реализации научного метода», — подчеркивает Липпинкотт-Шварц.

Современные технологии микроскопии не только расширяют возможности исследований, но и делают науку более творческой и увлекательной. Это открывает широкие перспективы для молодых ученых, готовых осваивать новые методы и подходы в изучении удивительного мира клеток.

Обзор Электронные микроскопы, устройство, строение, виды

Электронные микроскопы

Как известно, для создания изображений световой микроскоп использует поток фотонов, проходящих через образец и собирающийся системой линз. В отличие от светового микроскопа электронный для этого использует пучок ускоренных электронов. Такой пучок создаётся системой электромагнитов из электронов, выходящих из металла вследствие его высокотемпературного нагрева. Вместо стеклянных линз в электронном микроскопе используются электромагнитные поля. Хотя электроны и фотоны имеют свойства как волны, так и частицы, их длины волн различаются примерно в 1000 раз. Длина волны электрона в пучке намного короче, чем у фотона. Поэтому разрешающая способность и увеличение электронного микроскопа намного выше, чем у обычного светового. Это позволяет электронным микроскопам «увидеть» структуры объектов размером около 10

-12 м (1 пикометр).

С тех пор как был разработан первый электронный микроскоп прошло уже почти 100 лет, и современные модели способны давать увеличение до 50 млн крат, однако они все ещё работают по тому же принципу, что и 100 лет назад, и имеют связь между длиной волны электрона и разрешением. Электронные микроскопы имеют несколько ключевых особенностей в сравнении со световыми «коллегами»:

·         цена изготовления и обслуживании очень высока;

·         должны быть размещены в специальных помещениях, с отсутствием какого-либо магнитного поля;

·         объекты исследования должны находиться в вакууме;

·         в качестве объектов исследования нельзя использовать магнитные образцы;

·         в качестве объектов исследования нельзя использовать мелкодисперсные порошки, которые могут повредить насос, создающий вакуум;

·         образцы, не проводящие ток, перед исследованием подвергают специальной обработке, заключающейся в напылении тонкого слоя токопроводящего материала.

Электронные микроскопы делятся на 2 основных типа:

1. Просвечивающий (трансмиссионный)

Используется для исследования образцов, через которые могут проходить электроны.

Поэтому образцы должны быть тонкими (менее 100 нанометров (10^-9 м)). Изображение создается в результате прохождения пучка электронов через образец и их взаимодействия. Современные трансмиссионные электронные микроскопы могут достичь разрешения в 50*10^-12 м (50 пикометров) с увеличением, более чем в 50 млн крат.

2. Растровый (сканирующий)

Создаёт изображения поверхности образца, при отражении от неё пучка электронов. Также от такого взаимодействия можно получить представление о составе образца. Поскольку эти микроскопы отображают только внешнюю часть образца, они обеспечивают более низкое разрешение изображения, чем просвечивающие. Однако по сравнению со световыми микроскопами, они могут обеспечить высокое качество трехмерных изображений поверхности образца.

3. Электронный цифровой микроскоп.

Оптический микроскоп, объектив которого соединен с электронной системой оцифровки изображения и вывода его на экран или программное обеспечение компьютера. Такой прибор не имеет привычных окуляров и производит прямую передачу изображения на дисплей.

Ознакомиться с ценами и купить электронные цифровые микроскопы можно в разделах: 
» Микроскопы для пайки и ремонта электроники »  
и
» Цифровые микроскопы и сканеры »
 каталога товаров.

Значение микроскопа и его возможности

 

Микроскоп представляет собой уникальный прибор, призванный увеличивать микроизображения и измерять размеры объектов или структурные образования, наблюдаемые через объектив. Эта разработка удивительна, а значение изобретения микроскопа чрезвычайно велико, ведь без него не существовало бы некоторых направлений современной науки.

Отметим, что изобретение микроскопа является, выдающимся событием в науке начиная от Средневековья и до настоящего времени, потому что при помощи устройства представилась возможность открыть множество новых предметов для научного обсуждения.

В XX в. появились различные виды микроскопов, имеющие разное назначение, конструкцию, позволяющие изучать объекты в широких диапазонах спектра. Современные микроскопы представляют собой совершенные приборы, позволяющие получать большие увеличения с высокой разрешающей способностью. Разрешающая способность определяется расстоянием, на котором два соседних элемента структуры могут быть еще видимы раздельно.

Современные разработки микроскопов позволили создать микроскопы разных видов: оптический, электронный, сканирующий зондовый, рентгеновский, дифференциальный интерференционно-контрастный.

Современный мир невозможно представить без использования микроскопа, каким образом бы развивались без него такие области человеческой деятельности как иммунология и генетика, металлургия и геология, биология и медицина, криминалистика и петрография, а также огромное число других.

Применение современных микроскопов в отраслях науки и экономики позволяет делать и осуществлять разработки и достижения невозможные без него, а именно: разрабатывать безопасные и эффективные медицинские препараты, ставить верный диагноз, помогающий излечить различные заболевания, создавать новые виды синтетических материалов, налаживать производство электронной техники и высокоточных приборов и др.

Во всех школах, университетах, академиях имеются лаборатории, оборудованные микроскопами. Микроскопы делают очень простым приобщение обучающихся к исследованиям, целью которых является активное познание окружающего нас материального мира [1]. При помощи наглядности, достигаемой только с микроскопом, освоение учебного материала получается более эффективным. Он выступает в качестве действительно незаменимого инструмента, без которого в современных условиях стало невозможно заниматься исследовательской и научной деятельностью. Любое лабораторное оборудование включает в свой перечень микроскоп.

Для выполнения практической части моей работы, целью которой является изучение микроскопа и его возможностей, мне понадобился микроскоп и опытные образцы. В качестве опытных образцов были взяты: гриб мукор, поперечный срез листа сосны, нитчатая водоросль, спороносный колосок хвоща, спорогоний кукушкиного льна, сорус папоротника, мужская шишка сосны. Я взяла образцы, поместила их под микроскоп, внимательно рассмотрела, затем сфотографировала их.

Этапы выполнения опыта:

1. Подготовка микроскопа к работе: протираем объективы и окуляр чистой ватой, выбираем объектив, включаем лампу и направляем свет в объектив микроскопа.
2. Приготовление опытных образцов: гриба мукор, поперечного среза листа сосны, нитчатой водоросли, спороносного колоска хвоща, спорогония кукушкиного льна, соруса папоротника, мужскую шишку сосны.

Подготавливаем предметное стекло, тщательно промыв его водой. Затем кладём поочередно каждый из опытных образцов на предметное стекло.

3. Исследование опытных образцов под микроскопом. Помещаем поочередно каждый из указанных готовых опытных образцов на предметный столик микроскопа под зажимы. Рассматриваем объект.

В табл. 1 представлена краткая характеристика исследуемых образцов.

 

Таблица 1

Краткая характеристика опытных образцов, рассмотренных под микроскопом

Название препарата	Краткая характеристика
1. Гриб мукор	род низших плесневых грибов класса зигомицетов, который включает около 60 видов. Широко распространены в верхнем слое почвы, также развиваются на продуктах питания и органических остатках
2. Кукушкин лен	относится к мхам. Коробочка спорогона имеет удлиненный с заостренным концом колпачок. Внешне он сходен с кукушкой, откуда и произошло название данного мха
3. Лист сосны	у сосны, как и у большинства хвойных, лист имеет особую игольчатую форму и называется хвоей.
4. Нитчатая водоросль	представляет собой тонкие зеленые нити. По текстуре они мягкие и склизкие на ощупь. При извлечении из воды сразу теряют форму и обвисают. Нитчатая водоросль — это причина цветения воды
5. Спороносный колосок хвоща	состоит из спорофиллов — видоизмененных листьев, имеющих форму многогранной пластинки в виде щитка на ножке. Хвощ — это многолетнее травянистое растение, прямостоячее, достигает в высоту иногда от 40 до 60 см.
6. Сорусы папоротников	особые структуры, расположенные обычно на нижней стороне листа.
7. Мужская шишка сосны	Шишка представляет собой видоизмененный побег. Мужские шишки сосны зеленовато-желтого цвета собраны в густые колосовидные «соцветия» у основания удлиненных молодых побегов.

 

Далее на рис. 1–7 проиллюстрированы сфотографированные в ходе выполнения опыта изображения опытных образцов под микроскопом.

Рис. 1. Гриб мукор на хлебе и под микроскопом

 

Рис. 2. Лист сосны в природе и поперечный срез листа сосны под микроскопом

 

Рис. 3. Нитчатая водоросль в природе и под микроскопом

 

Рис. 4. Спороносный колосок хвоща в природе и под микроскопом

 

Рис. 5. Спорогоний кукушкиного льна в природе и под микроскопом

 

Рис. 6. Сорус папоротника в природе и под микроскопом

 

Рис. 7. Мужская шишка сосны в природе и под микроскопом

 

Резюмируя результаты выполненного мною опыта, заключим следующее:

‒          научилась подготавливать опытные образцы для изучения их под микроскопом.

‒          научилась работать с микроскопом.

‒          увидела, как выглядят опытные образцы под микроскопом.

‒          узнала, что гриб мукор, поперечный срез листа сосны, нитчатая водоросль, спороносный колосок хвоща, спорогоний кукушкиного льна, сорус папоротника, мужская шишка сосны состоят из клеток и спор.

‒          поняла, что с помощью микроскопа можно узнать и увидеть много нового и интересного невидимого глазу человека.

На основе выше обозначенного отметим следующее:

‒          микроскопы позволяют определять размеры и форму, строение и иные характеристики невидимых невооруженным глазом тел;

‒          современные исследовательские приборы имеют мощный функционал;

‒          изобретение микроскопа подарило человечеству уникальную возможность заглянуть в микромир, увидеть своими глазами самых опасных врагов человечества — бактерий и вирусов, находить методы борьбы с ними, ставить правильные диагнозы при лечении сложных заболеваний;

‒          без наличия микроскопа научные исследования в любой отрасли науки невозможны. Более того, альтернативы микроскопу нет [2].

 

Литература:

 

1.      Какое значение имело изобретения микроскопа — URL: http://fb.ru/article/191110/kakoe-znachenie-imelo-izobretenie-mikroskopa-istoriya-izobreteniya-mikroskopa (дата обращения: 17.01.2018).
2.      Микроскопы вчера и сегодня — URL: http://www.more-letom.ru/shoping_4/mikroskopy-vchjera-i-sjegodnja.htm (дата обращения: 26.01.2018).

Достижения в области микроскопии, которые открывают большие возможности в клеточной биологии

Исследователь использует конфокальный микроскоп, оборудованный для сверхвысокого разрешения и флуоресцентной визуализации в Бристольском университете, Великобритания. Бристоль

Ученые по понятным причинам настороженно относятся к слову «революция». Крупные прорывы, которые потрясают основы устоявшегося мышления, редки по сравнению с небольшими, аддитивными шагами, которыми наука стремится вперед. Тем не менее, когда Вернер Кюльбрандт из Института биофизики Макса Планка во Франкфурте, Германия, написал в 2014 году о перспективах микроскопического метода, который мог бы выявить структуру больших биомолекул с разрешением, близким к атомному, он выбрал в качестве заголовка «Революция разрешения». ¹ .

Кюльбрандт имел в виду возможности электронной криомикроскопии (крио-ЭМ) — метода, при котором пучки электронов направляются на белки, замороженные в растворе, для выявления их структуры. Крио-ЭМ — лишь один из многих инструментов визуализации, способствующих быстрому развитию клеточной биологии и смежных областей. «За последние десять лет появились новые методы, которые позволяют нам видеть вещи внутри клеток, которые мы не могли разглядеть раньше», — говорит Энн Ридли, клеточный биолог из Бристольского университета, Великобритания, и президент Британского общества. по клеточной биологии. «Мы можем увидеть, находятся ли два белка в одном и том же месте, делают ли они одно и то же, собираются вместе или расходятся в реальном времени, понять, как работают ферменты, и получить структуры белковых комплексов такими способами, о которых мы и мечтать не могли раньше. ”

Карьерный справочник Nature: клеточная биология

Ученые совершенствуют микроскопы с момента изобретения этих устройств в конце шестнадцатого века, и этот процесс заметно ускорился за последнее десятилетие. Нобелевская премия по химии 2014 г. была присуждена разработчикам флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения, а премия 2017 г. была отмечена за разработку крио-ЭМ. Специфика каждого метода микроскопии сильно различается, как и подгруппы ученых, которые их поддерживают. Но, в сущности, все это способы увидеть клетку более подробно, чем это возможно невооруженным глазом.

Каждый метод микроскопии предполагает компромисс. Флуоресцентная микроскопия, в которой флуоресцентные молекулы используются для освещения белков-мишеней, клеток или клеточных компонентов, позволяет биологам наблюдать живые образцы в режиме реального времени. Но поскольку видимый свет не может различить объекты, находящиеся друг от друга на расстоянии более 200 нанометров, его самого по себе недостаточно, чтобы выявить подробные структуры крошечных функциональных компонентов в клетках, называемых органеллами. Электронные микроскопы могут достигать гораздо более высокого разрешения, но требуют вакуума и поэтому не могут использоваться для живых образцов. В современной науке клеточные биологи имеют доступ к постоянно растущему арсеналу микроскопических инструментов, которые можно использовать как по отдельности, так и в комбинации, и они предлагают множество улучшений по сравнению с гораздо более старой техникой кристаллографии (см. «Инструменты торговли»).

Ремесленные инструменты

Большое разнообразие техник открывает множество направлений для расследования.

1 Широкопольные микроскопы используют интенсивные источники света для освещения всего образца и менее сложны, чем другие технологии.

2 В конфокальных микроскопах используются точечные отверстия для освещения точек интереса. Это снижает расфокусированную или фоновую флуоресценцию и означает, что они могут достигать более высокого разрешения и большей контрастности, чем широкопольные микроскопы.

3 Листовая микроскопия сканирует образцы с использованием очень тонкой плоскости лазерного луча, а не точки. Он изменил биологию развития, позволив отслеживать клетки и ткани в живых организмах.

4 Микроскопия со структурированным освещением — это вариант микроскопии сверхвысокого разрешения (SRM), который полезен для живых клеток и дает изображения с более высоким контрастом, чем широкопольные микроскопы.

5 Стохастическая оптическая реконструктивная микроскопия, еще один вариант SRM, регистрирует положения наборов флуоресцирующих химических веществ, которые последовательно включаются и выключаются для получения изображений с очень высоким разрешением.

6 Электронная криомикроскопия позволяет выявить атомные структуры биомолекул, таких как большие белки и динамические белковые комплексы. Разрешение метода ранее можно было достичь только с помощью рентгеновской кристаллографии, для которой образцы должны быть в кристаллической форме.

Междисциплинарный подход

Эти достижения стали результатом вклада ученых из самых разных областей. Физики предоставили большую часть технологий, таких как усовершенствованные детекторы электронов, которые увеличили скорость и чувствительность современных крио-ЭМ-устройств. Химики разработали более яркие флуоресцентные зонды, которые освещают цели дольше. Статистики и компьютерщики усовершенствовали методы обработки и анализа изображений. «Ускорение визуализации стало возможным благодаря этой невероятной синергии», — говорит Дженнифер Липпинкотт-Шварц, клеточный биолог из исследовательского кампуса Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза в Эшберне, штат Вирджиния, которая помогла заложить основы для разработки сверхвысокого разрешения. микроскопия с работой в течение 1990s по использованию зеленых флуоресцентных белков для визуализации путей клеточного транспорта в живых клетках ² .

С помощью этих микроскопических инструментов было достигнуто много достижений. Липпинкотт-Шварц и ее коллеги, например, использовали форму световой флуоресцентной микроскопии с конфокальной микроскопией для захвата трехмерных цветных кадров взаимодействий между различными типами органелл. «Мы смогли наметить отношения между шестью типами органелл, как быстро они двигались, и контакты, которые они установили друг с другом», — говорит Липпинкотт-Шварц, чья статья ³ был опубликован в журнале Nature в 2017 году. «Это важно, если вы хотите понять перекрестную связь между органеллами, которая сейчас вызывает большой интерес у клеточных биологов».

Дженнифер Липпинкотт-Шварц демонстрирует микроскоп, способный получать изображения сверхвысокого разрешения. Фото: Мэтт Стейли

Растущая доступность этих передовых методов открывает новые возможности для начинающих клеточных биологов. Наиболее очевидно, что это увеличивает количество процессов, которые могут исследовать клеточные биологи. «Эти методы открывают огромные перспективы для типов вопросов, на которые мы можем ответить», — говорит Липпинкотт-Шварц. Структурный биолог Дэвид Барфорд из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания, использовал крио-ЭМ для лучшего понимания некоторых клеточных механизмов, участвующих в митозе ⁴ , тип клеточного деления, в результате которого образуются две дочерние клетки с теми же хромосомами, что и родительская клетка. «Для академических ученых возможность определять структуры с атомарным разрешением с помощью электронной криомикроскопии может быть очень важна при планировании новых экспериментов и проверке биологических гипотез», — говорит он.

Барфорд добавляет, что потенциальные выгоды для начинающих исследователей от глубокого понимания новейших методов визуализации могут выходить за рамки непосредственных исследовательских вопросов, на которые они стремятся ответить. «Фармацевтические компании все больше интересуются электронной криомикроскопией как средством определения структуры белков и мишеней для лекарств, поэтому переход на нее может стать очень хорошим выбором для карьеры», — говорит он. Барфорд также считает, что эти методы станут более важными и превзойдут старые методы, используемые биологами. «Вероятно, она заменит кристаллографию на рынке труда».

Невозможно научиться пользоваться всеми или даже многими новейшими средствами обработки изображений. Начинающие клеточные биологи, стремящиеся использовать их, должны решить, специализироваться ли на конкретной методике или найти сотрудников, которые могут сделать это за них (см. «Встречи умов» для некоторых популярных конференций по клеточной биологии). Ридли, изучающий роль миграции клеток в прогрессировании рака, советует тем, кто получает докторскую степень, использовать любую доступную им возможность, чтобы познакомиться с различными методами. «Я бы порекомендовала всем, кто учится в докторантуре, иметь возможность чередоваться в разных лабораториях и получать для этого опыт работы в различных областях визуализации», — говорит она. «Даже если вы не станете экспертом, например, в электронной микроскопии, поработав в этой области пару месяцев, вы поймете, что она может, а что нет». Барфорд добавляет, что исследователи, которые предоставляют коллегам делать за них изображения, рискуют отстать по другим причинам. «Если вы станете просто пользователем, а не разработчиком, это ограничит ваш будущий потенциал для внесения вклада в эту область путем разработки и продвижения технологии».

Встречи умов

Делегаты на совместном собрании Американского общества клеточной биологии и Европейской организации молекулярной биологии в 2018 году. Фото: Пол Сакума, фотография

Симпозиумы и конференции хороши для получения обновлений и обзоров области.

Исследователям часто приходится выбирать между широкими или специализированными собраниями. Для тех, кто хочет получить общее представление о состоянии этой области, совместное собрание Американского общества клеточной биологии и Европейской организации молекулярной биологии на сегодняшний день является крупнейшим ежегодным собранием клеточных биологов в мире. Ожидается, что в этом году в Вашингтоне с 7 по 11 декабря примут участие около 6000 человек. Предметы, которые будут затронуты, будут широкими, включая новые темы, такие как нетрадиционные модельные организмы, компьютерное моделирование и синтетическая биология.

Брюс Стиллман, президент и главный исполнительный директор лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке, прочитает программную лекцию о своей работе над удвоением хромосом в клетках. Будут различные симпозиумы, семинары, постерные сессии и сессии по интересам. За день до основной встречи пройдет целый день, посвященный карьере и профессиональному развитию ученых, а также однодневный мини-курс по биотехнологии, на котором участники узнают, как научные открытия превращаются в бионаучные предприятия. Другие сессии будут посвящены карьере в области некоммерческой защиты науки, научной политики, информационно-пропагандистской деятельности, управления научной инфраструктурой и лабораторных исследований в промышленности.

Есть много других вариантов для исследователей, желающих глубже изучить конкретную отрасль дисциплины. Например, симпозиум под названием «Увидеть — значит поверить» объединяет разработчиков передовых методов визуализации с теми, кто применяет их в лаборатории. Это совещание привлекло около 400 участников, когда оно в последний раз проводилось в Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, Германия, в октябре этого года. На нем были представлены сессии, посвященные новейшим инструментам и методам, меняющим возможности исследователей в области визуализации белков, белковых комплексов, органелл, клеток, тканей, органов и целых организмов.

Одним из преимуществ визуализации для Липпинкотта-Шварца является ее чистота как эмпирического метода получения знаний. «Когда вы визуализируете, вы сначала наблюдаете, затем генерируете гипотезы, а затем разрабатываете подходы для проверки своих гипотез. Это идеальный путь для реализации научного метода». Она добавляет, что распространение передовых инструментов сделало микроскопию еще более привлекательной для клеточных биологов. «Это может сделать визуализацию очень творческим направлением», — говорит она.

Эта статья является частью журнала Nature Career Guide: Cell biology, независимого от редакции приложения. Рекламодатели не имеют никакого влияния на содержание.

Ссылки

1. Kühlbrandt, W. Science 343 , 1443–1444 (2014).

   Артикул Google Scholar

2. Пристли, Дж. Ф. и др. Природа 389 , 81–85 (1997).

   Артикул Google Scholar

3. Валм, А. М. и др. Природа 546 , 39–40 (2017).

   Артикул Google Scholar

4. Alfieri, C. и др. Природа 536 , 431–436 (2016).

   Артикул Google Scholar

Ссылки для скачивания

Эволюция и история микроскопов – Microscope Clarity

Человеческий глаз называют «чудом дизайна». Его сложный механизм позволяет нам исследовать, воспринимать и понимать мир, в котором мы живем. И все же есть молекулы, которые ускользают от этого блестящего органа. Микроскопы, с их способностью увеличивать даже мельчайшие атомы, помогли людям исследовать царство за пределами невооруженного глаза. В этой статье мы рассмотрим эволюцию и историю микроскопа, начиная с самого первого микроскопа и продвигаясь через каждое технологическое достижение в микроскопах вплоть до передовых современных микроскопов.

В древнегреческом языке « микро » означает «мельчайший размер» и « skopion » относится к «средства просмотра». Хотя термин «микроскоп» начал набирать популярность только в 1625 году, путь к их изобретению начался за столетия вперед, в недрах римской, греческой и китайской цивилизаций.

То, что начиналось как новинка, доступная только избранным, теперь превратилось в мощные микроскопы размером с ручку, которые можно носить в кармане. Гигантские успехи, достигнутые людьми в понимании своего тела, были бы невозможны без микроскопов. Доступные сегодня микроскопы можно классифицировать по-разному; в зависимости от источника света (свет, электрон и т. д.), расположения, количества линз (простые, составные) или способа взаимодействия между образцом и линзой (зонд, лазер и т. д.). Простые микроскопы используют силу одной линзы для увеличения данного образца. В то время как составные микроскопы используют линзу объектива для получения изображения, усиленного вторичной системой линз.

Основываясь на своих отличительных возможностях, каждый тип микроскопа играет жизненно важную роль в различных областях. В то время как некоторые сложные электронные микроскопы помогают ученым визуализировать сложные процессы, происходящие в клетках, другие нашли применение у любителей, заинтересованных в изучении невидимого мира вокруг них. В этой статье мы стремимся проследить эволюцию этого незаменимого устройства; весь путь от зарождения области оптики до изобретения сверхчувствительных цифровых микроскопов.

Оптика: Начало

История микроскопии не может быть рассказана без начала с области оптики. Кусочки стекла или линзы из матового стекла были найдены во многих древних цивилизациях. Самым популярным открытием стала линза Нимруд, относящаяся к ассирийской цивилизации (современный Ирак), 710 г. до н.э. г. до н.э.

Феномен увеличения стекла был известен как грекам, так и римлянам. Однако год этого открытия остается неизвестным. Большинство экспертов приписывают находку простой случайности; может быть, однажды кто-то заметил, что предметы, видимые через чашу, наполненную водой, кажутся больше, чем они есть на самом деле. Евклид (300 г. до н.э.) был первым философом, зафиксировавшим этот эффект. В своем великом трактате « Optica » Евклид пишет, что текст, видимый через стеклянный шар, наполненный водой, казался больше.

Сенека (4 г. до н.э. – 65 г. н.э.) , греческий философ расширил эту теорию, заметив, что степень или масштаб увеличения зависят от угла между глазом и стеклом. Он проницательно связал увеличение с искривлением световых лучей при переходе из одной среды в другую.

Наблюдения за оптикой и увеличением разбросаны по греческим и римским записям, однако только в году н.э. 1000 линзы, называемые «камнями для чтения», начали широко использоваться в качестве вспомогательных средств для чтения для увеличения текста. Греки также использовали изогнутые линзы, сделанные путем шлифовки стекла, чтобы разжигать огонь! Не в буквальном смысле, а тепло, выделяемое фокусирующим светом, использовалось для прижигания ран, повреждений и порезов, сделанных в хирургии. Однако пройдет еще 1200 лет, прежде чем эти изогнутые стекла найдут применение в очках.

В то же время несколько ученых в арабском мире также работали над пониманием оптики. Ибн Аль-Хайтам опубликовал «Книгу по оптике» в 1021 году нашей эры, в которой резюмировал свои открытия о свете и зрении. В то время считалось, что свет, отражающийся от глаза, «касается» объектов, что позволяет нам их видеть.

Есть также свидетельства того, что китайские цивилизации понимали и использовали увеличение более 4000 лет назад. Династия Чоу-Фу разработал инструменты, которые мы теперь называем «водными микроскопами», которые состояли из длинной трубки, наполненной водой разного уровня в зависимости от требуемого увеличения. Эти простые, но эффективные инструменты были способны обеспечить увеличение более чем в 150 раз.

В западном мире изобретатели начали экспериментировать с линзами только в 13 веке. Считается, что в 1284 году нашей эры в Италии Сальвино д’Араменто Дельи Амати изобрел первые нательные очки. К 14 веку эти очки стали широко использоваться по всей Европе. 300 лет спустя наступил Ренессанс, который помог ученым со всей Европы свободно общаться. Таким образом, открытие микроскопов.

Ранние микроскопы

Галилео Галилей (1564 г. н.э. – 1642 г. н.э.) широко известен как изобретатель телескопа, способного увеличивать объекты на расстоянии. Затем он быстро обнаружил, что перестановка линз в телескопе с более коротким расстоянием между ними помогает увеличивать мелкие предметы, таким образом создавая первый составной микроскоп, который он назвал « Occhiolino ». Устройство достигло увеличения в несколько раз выше, чем широко используемые увеличительные стекла.

В то же время голландские производители очков, Zaccharias Janssen и Hans Lipperhey , также заявили, что независимо построили составной микроскоп, используя комбинацию тубусов и двух линз; линза объектива, расположенная над образцом, и окуляр для просмотра изображения. Хотя неясно, кто первым придумал конструкцию микроскопа, этот термин широко использовался по всей Европе к 1625 гг. н.э. г.

В том же веке, Антон Ван Левенгук построил первый простой микроскоп с очень маленькой, но прочной линзой. Он много экспериментировал со шлифовкой и полировкой стекла, разрабатывая изогнутые очки, способные значительно увеличивать.

Интересно, что потребовалось 150 лет, чтобы построить сложные микроскопы, которые могли бы воспроизвести увеличение простых самодельных микроскопов Левенгука! В 1674, он использовал свое устройство для наблюдения за бактериями в капле воды, за что получил титул «Отец микроскопов».

Английский физик, Роберт Гук , современник Левенгука, также использовал микроскопы для исследования биологических организмов. Он использовал простой микроскоп, освещенный светом свечи, чтобы обнаружить клетки и их характерную сотовую структуру. В 1665 термин «клетки» был придуман и опубликован в его семинарской работе под названием «Микрография», известной своими яркими иллюстрациями кожи и волос. Интересно, что ученым потребовалось более 200 лет, чтобы согласиться с тем, что клетки являются основными единицами жизни.

Однако ранние микроскопы были сложны в использовании и ограничены качеством линз. Более 200 лет спустя, в 1729 году, Честер Мур Холл разработал ахроматическую линзу. Ахроматическая линза объединяет две линзы разной формы и фокусного расстояния, чтобы обеспечить лучшую фокусировку.

Девятнадцатый век

В конце 18 ^го века и в начале 19 ^го века было много достижений в конструкции и расположении линз, что значительно улучшило качество микроскопов. Устройства стали значительно меньше при улучшении увеличения.

Кроме того, разработка новых объективов решила общие оптические проблемы, которые часто встречались в старых устройствах. В настоящее время эволюция микроскопов распространяется по всему миру, и изобретатели из разных стран работают вместе над созданием более совершенных устройств.

В 1 830 Джозеф Джексон Листер добился значительных успехов в исправлении явления, называемого сферической аберрацией. До этого изображение, просматриваемое через микроскоп, искажалось из-за угла между линзами.

Однако Листер построил устройство, разместив слабые линзы на точном расстоянии друг от друга, что устранило сферическую аберрацию. Это чрезвычайно помогло натуралистам того времени в наблюдении отчетливых биологических структур, которые до того были просто размытыми искажениями.

Американец, Джон Леонард Риддел был человеком многих шляп; ученый, химик, ботаник, геолог, врач, микроскопист, политик и писатель. Работа в Тулейнском университете, 1850, построил первый бинокулярный микроскоп с двумя рабочими окулярами. Используя устройство, он также стал пионером в исследовании Vibrio Cholerae, бактерий, вызывающих холеру.

Десять лет спустя компания по производству микроскопов «Ernst Leitz» построила микроскопы с пятью линзами разного увеличения, которые можно было регулировать в зависимости от требований. Они достигли этого, закрепив несколько объективов на подвижной турели, расположенной на конце трубки объектива. В то же время конкурирующая компания « Zeiss Optical Works также работал над развитием микроскопии.

В 1866 году Эрнст Аббе , работая в Zeiss, сформулировал принципы, которые и по сей день определяют развитие вычислительной оптики. С развитием физики в конструкциях микроскопов предпочтение отдавалось проверенным теориям, а не методам проб и ошибок. Используя недавно открытые волновые свойства света, Эббе построил более 17 объективов, каждый с разным увеличением. Он также разработал первые иммерсионные объективы, в которых и образец, и линза погружаются в жидкость с более высоким показателем преломления, чем у воздуха.

Он разработал математическую формулу под названием «Уравнение Аббе», которая помогает рассчитать максимальное разрешение микроскопа. Но, пожалуй, самым известным его вкладом в микроскопию является изобретение конденсора Аббе, устройства, помещаемого над источником света в микроскопе, которое концентрирует свет в один конус.

В конце девятнадцатого века многие производственные компании приступили к крупномасштабному проектированию и производству прецизионных микроскопов. Устройство стало доступно широкому кругу зрителей, когда цены начали снижаться. Высокоточные микроскопы помогли некоторым из самых значительных достижений в биологии, включая открытие хромосом Уолтер Флемминг в 1879 .

В 1893 , Август Колер , работая на заводе Zeiss Optical, построил запатентованное осветительное устройство Колера. До этого конденсоры были ограничены в своей способности фокусировать свет на образце. Устройство Колера значительно улучшило разрешение и контрастность микроскопов, обеспечив равномерный источник света.

Современная микроскопия: 1900-е годы – настоящее время

Микроскопы позволили ученым исследовать невидимый мир вокруг них. 20 ^-й -й век стал свидетелем того, как многие смертельные болезни были поняты и излечены с помощью, прежде всего, визуализирующих возможностей микроскопа. В этом столетии также развился массовый рынок микроскопов: компания Leitz заявила, что продала более 50 000 устройств в США. Достижения в освещении образцов и источниках света позволили разработать новые микроскопы, которые кратко описаны ниже.

Ультрамикроскоп

Ин 1903 , Ричард Зигмонди , работающий в Zeiss Optical Works (теперь называется Carl Zeiss AG), построил ультрамикроскоп, который позволил использовать волны ниже длины волны видимого света (например, ультрафиолетового света). Это достигается за счет использования источника света, который рассеивает свет, в отличие от старых микроскопов, которые просто отражали свет.

Устройство позволило ученым увидеть частицы размером до 4 нанометров, погрузив их в жидкость. Ультрамикроскопы позволили сделать открытия в изучении коллоидов, аэрозолей, ионов и биологических ультраструктур. В 1925 января Жигмонди был удостоен Нобелевской премии по химии за свое открытие.

Электронная микроскопия

В начале 20 ^-го -го века был разработан ряд источников освещения, альтернативных свету. Электронная микроскопия использует пучок электронов для создания изображения. Первый просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) был разработан в 1930-х годах двумя немецкими физиками, работавшими на Siemens, Максом Кноллем и Эрнстом Руской.

Световые микроскопы, естественно, ограничены физикой света, с теоретическим пределом увеличения в 500 или 1000 раз и пределом разрешения 0,2 мкм. Использование электронных лучей позволяет получить гораздо более высокое разрешение, обеспечивая разрешение в нанометровом масштабе. Взаимодействие между электронным пучком и образцом записывается и преобразуется в изображение. Достижения в области полупроводников и нанотехнологий, которые привели к появлению всех передовых технологий, используемых сегодня, стали возможными благодаря ТЕМ. TEM также позволил обнаружить и идентифицировать вирусы, ответственные за многие смертельные заболевания. Используемые сегодня ПЭМ способны разрешать объекты размером с атом.

В 1942 , Эрнст Август Руска усовершенствовал конструкцию ПЭМ для создания первого сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Устройство использует пучок электронов, движущихся по поверхности образца, который затем собирается для создания картины «обратного рассеяния». Хотя эти устройства менее мощные, чем ПЭМ, они создают четкие, четкие трехмерные изображения с высоким разрешением.

РЭМ нашли применение в биологии, химии и металлургии для выяснения морфологии, состава и топологии образцов. Эрнст Руска был удостоен Нобелевской премии по физике в 1986 за разработку электронного микроскопа. Основные устройства Ruska продолжают использоваться до настоящего времени с возможностью увеличения более чем в 2 миллиона раз.

Для получения дополнительной информации об электронной микроскопии см. «Объяснение электронных микроскопов: от физики к изображениям».

Фазово-контрастный микроскоп

В 1932 , Frits Zernike разработал фазово-контрастный микроскоп, который позволял увеличивать прозрачные образцы. Устройство использует принцип интерференции света в отличие от традиционных микроскопов, основанных на поглощении света. При взаимодействии света со средой изменяется фаза или амплитуда луча. Однако эти фазовые изменения невидимы невооруженным глазом.

Фазово-контрастная микроскопия преобразует изменения фаз в изменения яркости. Устройство имело особое значение для области биологии. До этого момента клетки нужно было монтировать и окрашивать, по сути убивая их, чтобы увеличить. Однако фазово-контрастный микроскоп позволяет визуализировать живые клетки и органеллы в их естественном состоянии. В 1953 году Цернике был удостоен Нобелевской премии по физике за свое изобретение.

Дифференциально-интерференционная контрастная микроскопия

Принцип дифференциально-интерференционно-контрастной (ДИК) микроскопии дополняет фазово-контрастную микроскопию. В отличие от фазового контраста, эти устройства преобразуют изменения пути света, проходящего через образец, в яркость, при этом изображение выглядит как градиент от черного к белому на сером фоне.

Эффект называется интерференционным контрастом Номарского в честь его основателя, польского физика Жоржа Номарского. ДИК также позволяет визуализировать прозрачные биологические образцы без окрашивания.

Сканирующий туннельный / сканирующий зондовый микроскоп

В 1981 , Герд Биннинг и Генрих Рорер , работавшие в IBM, Швейцария, построили первый сканирующий туннельный микроскоп на основе своих открытий явления квантового туннелирования (КТ). Явления QT наблюдали, что между образцом и зондом возникал небольшой поток электронов или небольшой ток. Сканирующая зондовая микроскопия измеряет этот ток, пока маленький тонкий зонд перемещается по поверхности образца.

Благодаря устранению источника света СТМ преодолевает недостатки как световой, так и электронной микроскопии. Интересно, что Биннинг и Рорер также встроили в СТМ контур обратной связи, который регулярно регулировал расстояние между образцом и зондом. Таким образом, СТМ смог отображать слои атомов в образце, обеспечивая трехмерное увеличение. СТМ внесли значительный вклад как в академические, так и в промышленные науки. Сегодня эти СТМ оснащены сверхтонкими пьезоэлектрическими зондами с атомарным разрешением. Биннинг и Рорер разделили Нобелевскую премию с Эрнстом Руской за их новаторское изобретение.

Флуоресцентная микроскопия

Некоторые вещества способны поглощать части падающего на них света и излучать свет другого цвета (длины волны). Это явление называется флуоресценцией. Например, широко используемая молекула флуоресцеина поглощает синий свет (высокая энергия) и излучает зеленый свет (низкая энергия). Флуоресцентная микроскопия позволяет получить изображение образца с помощью химического окрашивания как живых, так и фиксированных клеточных структур флуоресцентными красителями.

В 1962 Зеленый флуоресцентный белок (GFP) был впервые обнаружен у медуз Осаму Симомура, Фрэнком Джонсоном и Йо Сайгой, за что они разделили Нобелевскую премию по химии.

Это открытие в сочетании с клонированием GFP в 1992 году сделало возможным массовое производство и широкое использование GFP во флуоресцентной микроскопии. Микроскопия на основе GFP способствовала многим значительным достижениям в биологии, таким как выяснение развития нервов, развития мозга и роста рака.

Флуоресцентная микроскопия позволила понять критические заболевания, включая диабет и болезнь Альцгеймера. Совсем недавно достижения в области редактирования генов позволили живым клеткам экспрессировать свой собственный GFP без каких-либо дополнительных методов окрашивания.

Конфокальная микроскопия

В 1957 , Марвин Мински впервые предложил конфокальную визуализацию в качестве альтернативы световой микроскопии. В этом явлении свет фокусируется на одной точке образца, а не освещает весь образец. Однако только в 1978 году открытие лазеров помогло разработать конфокальные лазерные сканирующие микроскопы высокого разрешения.

Томас и Кристоф Кремер разработали исследовательский зонд с миниатюрной оптической системой, которая исследует рассеяние света в определенной точке образца. Работая над образцом, устройство создает трехмерное изображение с разрешением от 0,5 до 3,0 мкм. С открытием флуоресцентных красителей можно было окрашивать специфические клеточные структуры, что позволяло конфокальным сканирующим зондам идентифицировать их морфологию.

В настоящее время разработаны конфокальные эндомикроскопы, не требующие удаления тканей из организма. Устройство может обеспечить мгновенную гистопатологию биологической ткани внутри тела. Это оказалось особенно полезным при визуализации желудочно-кишечного тракта и его расстройств.

Рентгеновские микроскопы

Эти устройства используют электромагнитное излучение, обычно рентгеновское, для построения трехмерных изображений объектов. Наиболее часто используемым рентгеновским микроскопом является КТ-сканер (компьютерная томография), который позволяет получать неинвазивные изображения тканей человека.

Картины поглощения рентгеновских лучей на образце собираются компьютером и используются для построения трехмерного изображения. Поскольку различные ткани тела поглощают рентгеновские лучи по-разному, устройство можно использовать для визуализации и наблюдения определенных биологических структур.

В 1972 году Аллан Кормак и Годфри Хаунсфилд создали первый компьютерный томограф, за который они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Устройство, чаще всего используемое в медицине, также нашло применение в неразрушающем контроле материалов в промышленности и археологии.

Микроскопия со сверхвысоким разрешением

Теоретический предел разрешения в микроскопе ограничен дифракцией света, как это было математически определено Эрнстом Аббе в 1873 году. различные оптические техники.

Устройства, сгруппированные по признаку сверхвысокого разрешения, включают использование флуоресцентной микроскопии, фотонной туннельной микроскопии, оптической флуктуационной визуализации сверхвысокого разрешения (SOFI), истощенной микроскопии с вынужденным излучением и т. д. 

Эрик Бетциг, Стефан Хелл и Уильям Мёрнер получили Нобелевскую премию по химии в 2014 году за совместные достижения в области микроскопии сверхвысокого разрешения. Сегодня эти устройства способны визуализировать частицы размером менее 0,2 микрометра.

Криоэлектронный микроскоп

Прибор является модификацией просвечивающих электронных микроскопов (ПЭМ). В то время как в ПЭМ для исследования образцов используется пучок электронов, большинство биологических материалов разлагаются в этих условиях.

Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон разработали новый криоэлектронный микроскоп, который позволял получать биомолекулы с высоким разрешением путем их замораживания.

Устройство также использует более мягкий электронный луч, который не влияет на биологические структуры, что позволяет визуализировать белки, ДНК и другие биомолекулы по мере их движения и выполнения функций. В 2010 году эти устройства позволили визуализировать атомы в вирусе. Нобелевская премия по химии 2017 года была присуждена этим ученым, впервые применившим это устройство.

Другие типы микроскопов

В настоящее время во всем мире используется широкий спектр микроскопов. Акустические микроскопы используют для исследования образцов звуковые волны, а не свет. Это позволяет неинвазивно визуализировать образцы. Наиболее распространенной модификацией акустических микроскопов является ультразвуковой.

Цифровые микроскопы, разработанные в 1986 г., используют цифровую камеру и компьютер для получения изображений в реальном времени. Некоторые устройства оснащены окулярами, а другие полностью управляются компьютером. Компьютер способен анализировать свойства изображения, которое ускользает от невооруженного глаза, включая измерение расстояний, силу флуоресценции, мельчайшие изменения толщины и т. д.

Цифровые микроскопы Dino-Lite — недавняя инновация, завоевавшая популярность среди любителей. Это портативные устройства размером меньше ручки, способные увеличивать до 500 раз.

Компьютерный USB-микроскоп представляет собой маломощный цифровой микроскоп, в котором установленный цифровой компьютер можно напрямую подключить к USB-порту компьютера. Хотя они способны увеличивать только до 200 раз, они популярны благодаря простоте использования. Карманные цифровые микроскопы особенно подходят для детей и любителей-любителей для получения изображений с рук при малом увеличении (25X-100X).

Стереодиссекционные микроскопы позволяют получать стереоскопические изображения образцов. Устройство сочетает в себе две пары отдельных окуляров и объективов для определения глубины проб путем создания прямой трехмерной перспективы.

Другие используемые в настоящее время микроскопы включают сравнительные микроскопы, инвертированные микроскопы, волоконно-оптические инспекционные микроскопы, петрографические и поляризационные микроскопы, двухфотонные микроскопы и рамановские микроскопы с усиленным наконечником.

Еда на вынос

Мы прошли путь эволюции микроскопа от самого первого микроскопа до самых передовых микроскопических систем в истории. Они не только технически продвинуты, но и по мере того, как стоимость этих устройств снижается, они становятся очень доступными для арматуры и любителей, страстно увлеченных наукой и микроскопией.

Это вызывает интерес у молодого поколения и создает ученых будущего, которые сделают следующие достижения, которыми мы когда-нибудь восхитимся, в эволюции микроскопа.

Ссылки

1. Дж. ван Зуйлен, Микроскопы Антони ван Левенгука. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.1981.tb01227.x
2. Дэвид Барделл, Изобретение микроскопа. https://doi.org/10.1893/0005-3155(2004)75%3C78:TIOTM%3E2.0.CO;2
3. Дуглас Б. Мерфи и Майкл В. Дэвидсон. Основы световой микроскопии и электронной визуализации
4. Уильям Розенталь, Очки и другие вспомогательные средства для зрения: история и руководство по коллекционированию
5. Лорен Кокс, кто изобрел микроскоп.