Каждый, кто когда-либо пользовался телескопом, наверняка пробовал смотреть в него через другой конец, чтобы проверить, работает ли он в обратном направлении, то есть как микроскоп. Спойлер: не работает.
И вот недавно группа исследователей, вдохновленная странными глазами морского существа, придумала, как это сделать. Перевернув зеркала и линзы, используемые в некоторых типах телескопов, они создали новый вид микроскопа, который можно использовать для получения изображений образцов, плавающих в любом типе жидкости - даже внутренностей прозрачных органов - при сохранении достаточного количества света для большого увеличения. Эта конструкция может помочь ученым достичь сильного увеличения для изучения крошечных структур, таких как длинные, тонкие аксоны, соединяющие нейроны в мозге, или отдельные белки или молекулы РНК внутри клеток.
"Приятно видеть, что даже такая элементарная вещь, как линза, все еще может вызывать интерес и есть возможность сделать изобретение, которое поможет многим людям", - говорит Кимани Туиссан, инженер-электрик из Университета Брауна. Он считает, что конструкция может быть полезна в его работе, в которой он использует лазеры для вытравливания узоров в гелях, имитирующих коллаген и служащих в качестве каркасов для клеток.
При очень большом увеличении свет, направленный на образец, может рассеиваться вокруг него, размывая и затемняя изображение. Чтобы решить эту проблему, ученые, использующие традиционные микроскопы с линзами, покрывают образец тонким слоем масла или воды, а затем окунают линзу прибора в жидкость, минимизируя степень рассеивания света. Но эта техника требует, чтобы приборы имели разные линзы для разных типов жидкости, что делает этот процесс дорогим и сложным и ограничивает возможности подготовки образцов.
На помощь пришел Фабиан Фойгт, молекулярный биолог из Гарвардского университета и изобретатель новой конструкции. Он читал книгу о зрении животных, когда наткнулся на странную особенность глаз морских гребешков. В отличие от большинства животных, у которых глаза имеют сетчатку, посылающую изображение в мозг, у гребешков мантии покрыты сотнями крошечных голубых точек, каждая из которых содержит изогнутое зеркало на задней стороне. Когда свет проходит через линзу каждого глаза, его внутреннее зеркало отражает свет обратно на фоторецепторы существа, создавая изображение, которое затем позволяет гребешку реагировать на окружающую среду.
Будучи астрономом-любителем с подросткового возраста, Фойгт понял, что конструкция глаз гребешка напоминает телескоп, изобретенный почти 100 лет назад и называемый телескопом Шмидта. Космический телескоп "Кеплер", вращающийся вокруг Земли, использует подобную конструкцию изогнутого зеркала для усиления далекого света звезд. Фойгт понял, что, уменьшив зеркало, используя лазеры для получения света и заполнив пространство между зеркалом и детектором жидкостью, чтобы минимизировать рассеивание света, можно адаптировать конструкцию для размещения внутри микроскопа.
Фойгт и его коллеги построили прототип, основанный на этих характеристиках. Свет поступает сверху, проходит через изогнутую пластину, которая корректирует кривизну зеркала, затем отражается от зеркала, попадает на образец и увеличивает его. По словам Фойгта, изогнутое зеркало увеличивает изображение подобно линзе. Это позволяет исследователям рассматривать образцы, взвешенные в любой жидкости, что упрощает процесс. Войгт говорит, что конструкция может быть особенно полезна для исследователей, изучающих органы или даже целые организмы, такие как эмбрионы мыши, которые были сделаны полностью прозрачными путем искусственного удаления пигментов.
Исследователи протестировали свой прототип, посветив лазером на прозрачные образцы, включая мышцы хвоста головастика, мозг мыши и целый куриный эмбрион. Эти изображения, как сообщили исследователи в прошлом месяце в журнале Nature Biotechnology, были такими же четкими, как и те, которые можно получить с помощью обычных оптических микроскопов, несмотря на использование более простой конструкции, и обеспечивали большую гибкость в способах подготовки образцов.
По словам Адама Глейзера, инженера Института нейронной динамики Аллена, работающего над картированием мозга, конструкция зеркала может оказаться полезной для исследователей, стремящихся проследить путь аксонов мыши, которые извиваются по всему мозгу. Аксоны могут быть десятки миллиметров в длину, но всего лишь несколько нанометров в толщину, что делает картирование всего мозга мыши непосильной задачей. Кроме того, это дорогостоящая процедура с использованием имеющихся микроскопов, которые требуют многочисленных линз и сложны в эксплуатации. Новая конструкция, напротив, может быть проще в использовании, поскольку для нее требуется только одно зеркало, и, поскольку она может получать изображение через любую жидкость, позволяет исследователям более гибко подходить к подготовке образцов мозга.
Глейзер добавляет, что новый микроскоп также может помочь исследователям, изучающим молекулы РНК внутри нейронов, которые могут показать, какие гены экспрессирует каждая клетка. "Заимствование из астрономии - это удивительно эффективный и творческий способ заниматься наукой", - замечает он.
