Brad Amos a passé la plus grande partie de sa vie à réfléchir et à explorer des mondes minuscules. Aujourd'hui âgé de 71 ans, il est professeur invité à l'Université de Strathclyde en Écosse, où il dirige une équipe de chercheurs qui conçoivent un très grand nouvel objectif de microscope, de la longueur et de la largeur d'un bras humain. Nommé parmi les dix percées majeures de Physics World en 2016, le soi-disant Mesolens est si puissant qu'il peut imager des tumeurs entières ou des embryons de souris dans un seul champ de vision tout en imageant simultanément l'intérieur des cellules.
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«Grâce à la large couverture d'un objectif d'appareil photographique et à la résolution fine de l'objectif du microscope, il présente les avantages des deux approches», explique Amos. "Les images sont extrêmement utiles."
Aujourd'hui, des microscopistes comme Amos travaillent dans le monde entier pour innover de nouvelles technologies ayant de nombreuses applications en médecine et en santé humaine. Mais ces progrès de pointe remontent tous aux premiers microscopes construits aux XVIe et XVIIe siècles. Bien qu’à l’avant-garde, ils ne vous impressionneraient pas beaucoup; ce n'était pas beaucoup plus fort qu'une loupe de poche.
Amos est obsédé par ces microscopes les plus simples depuis qu'il en a eu un pour son anniversaire. Son intrigue dans les mondes microscopiques devint insatiable alors qu'il explorait tout ce qu'il pouvait trouver, de la force à l'intérieur de minuscules bulles éclatantes à la façon dont des morceaux de cuivre se moulaient sous le sachet d'une aiguille. «C'est comme une pâte à modeler, ça peut être très doux», dit Amos à propos du cuivre. Il décrit son admiration devant les phénomènes qu’il a découverts dans le cadre d’une vision qu’il ne pouvait voir de ses yeux nus: «Vous étudiez un monde qui n’obéit même pas aux mêmes règles de perception.»
Ce type de curiosité dans les activités de mondes minuscules a propulsé la microscopie dès sa création. Hans et Zacharias Janssen, une équipe hollandaise père-fils, ont inventé le premier microscope composé à la fin du XVIe siècle. Ils ont découvert que, s’ils mettaient une lentille au sommet et à la base d’un tube et examinaient au travers, des l'autre extrémité est devenue magnifiée. L'appareil a jeté les bases critiques pour les futures percées, mais n'a été amplifié que de 3 à 9 fois.
La qualité de l'image était au mieux médiocre, déclare Steven Ruzin, microscopiste et conservateur de la collection de microscopes Golub à l'Université de Californie à Berkeley. «J'ai imagé à travers eux et ils sont vraiment affreux», dit Ruzin. "Les lentilles de la main étaient beaucoup mieux."
Bien qu'ils aient fourni un grossissement, ces premiers microscopes composés ne pouvaient pas augmenter la résolution, de sorte que les images agrandies apparaissent floues et obscurcies. En conséquence, aucune percée scientifique significative n’a été réalisée depuis environ 100 ans, dit Ruzin.
Mais vers la fin du XVIIe siècle, les améliorations apportées aux objectifs portèrent à 270 fois la qualité de l'image et le pouvoir grossissant, ouvrant ainsi la voie à des découvertes majeures. En 1667, le spécialiste des sciences naturelles anglais Robert Hooke a publié son livre Micrographia avec des dessins complexes de centaines de spécimens qu'il a observés, y compris des sections distinctes dans la branche d'une plante herbacée. Il a appelé les cellules de section parce qu'elles lui rappelaient les cellules d'un monastère et devenaient ainsi le père de la biologie cellulaire.
Dessins tirés de Micrographia, de Robert Hooke, où il a dessiné la première cellule végétale jamais découverte dans cette branche de pin. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons) En 1676, Antony van Leeuwenhoek, marchand de tissus hollandais devenu scientifique, améliora encore le microscope afin de regarder le tissu qu'il vendait, mais fit par inadvertance la découverte révolutionnaire de l'existence de bactéries. Ses découvertes accidentelles ont ouvert le champ de la microbiologie et la base de la médecine moderne; Près de 200 ans plus tard, le scientifique français Louis Pasteur déterminait que les bactéries étaient la cause de nombreuses maladies (auparavant, de nombreux scientifiques croyaient à la théorie du miasme selon laquelle l'air et les mauvaises odeurs nous rendaient malades).
«C'était énorme», déclare Kevin Eliceiri, microscopiste à l'Université du Wisconsin à Madison, à propos de la découverte initiale de bactéries. «Il y avait beaucoup de confusion à propos de ce qui vous a rendu malade. L'idée qu'il y ait des bactéries et des objets dans l'eau a été l'une des plus grandes découvertes de tous les temps. »
L'année suivante, en 1677, Leeuwenhoek a fait une autre découverte marquante lorsqu'il a identifié le sperme humain pour la première fois. Un étudiant en médecine lui avait apporté l'éjaculat d'un patient atteint de gonorrhée pour qu'il l'étudie à l'aide de son microscope. Leeuwenhoek l'a obligé, a découvert de minuscules animaux à queue et a ensuite trouvé les mêmes "animalcules" dans son propre échantillon de sperme. Il a publié ces découvertes novatrices mais, comme pour les bactéries, 200 ans se sont écoulés avant que les scientifiques comprennent la véritable signification de la découverte.
À la fin des années 1800, un scientifique allemand nommé Walther Flemming découvrit la division cellulaire qui, des décennies plus tard, aidait à comprendre comment le cancer se développait - une découverte qui aurait été impossible sans microscopes.
«Si vous voulez pouvoir cibler une partie de la membrane cellulaire ou une tumeur, vous devez la surveiller», explique Eliceiri.
Bien que les microscopes originaux utilisés par Hooke et Leeuwenhoek aient eu leurs limites, la structure de base de deux lentilles reliées par un tube est restée pertinente pendant des siècles, explique Eliceiri. Au cours des 15 dernières années, les progrès de l'imagerie sont passés à de nouveaux domaines. En 2014, une équipe de chercheurs allemands et américains a remporté le prix Nobel de chimie pour une méthode appelée microscopie à fluorescence à super-résolution, si puissante qu'il est désormais possible de suivre des protéines isolées à mesure qu'elles se développent dans les cellules. Cette méthode évolutive, rendue possible grâce à une technique innovante qui rend les gènes plus brillants ou «fluorescents», a des applications potentielles dans la lutte contre des maladies telles que la maladie de Parkinson et la maladie d'Alzheimer.
Un microscope italien fabriqué en ivoire au milieu des années 1600, qui fait partie de la collection Golub de l'UC Berkeley. (Collection Golub chez UC Berkeley.) Ruzin dirige le centre d’imagerie biologique de l’Université de Californie à Berkeley, où les chercheurs utilisent cette technologie pour explorer toutes sortes de propriétés, des microstructures au sein du parasite Giardia aux arrangements de protéines entre bactéries. Afin de mettre la recherche en microscopie moderne dans son contexte, il tient à partager certains de ses objets les plus anciens de la collection Golub - l'une des plus grandes collections au monde, contenant 164 microscopes antiques datant du XVIIe siècle - avec son étudiant de premier cycle. étudiants. Il leur permet même de s’occuper des plus anciens de la collection, y compris une italienne en ivoire vers 1660.
«Je dis« ne concentrez pas vos efforts car cela va casser », mais je laisse les étudiants le regarder et cela les ramène à la maison», dit Ruzin.
Malgré tout, malgré la puissance de la microscopie à super-résolution, elle pose de nouveaux défis. Par exemple, chaque fois qu'un spécimen se déplace en haute résolution, l'image s'estompe, dit Ruzin. «Si une cellule vibre juste par un mouvement thermique, en rebondissant sous l'effet des molécules d'eau qui la heurtent parce qu'elle est chaude, cela supprimera la super résolution, car cela prend du temps», explique Ruzin. (Pour cette raison, les chercheurs n'utilisent généralement pas la microscopie à super-résolution pour étudier des échantillons vivants.)
Mais une technologie telle que le Mesolens d’Amos, avec un grossissement beaucoup plus faible de seulement 4x mais un champ de vision beaucoup plus large capable de capturer jusqu’à 5 mm, ou environ la largeur d’un ongle rosé, peut reproduire un spécimen vivant. Cela signifie qu'ils peuvent voir un embryon de souris se développer en temps réel, en suivant les gènes associés à une maladie vasculaire chez le nouveau-né à mesure qu'ils s'intègrent à l'embryon. Auparavant, les scientifiques utilisaient les rayons X pour étudier les maladies vasculaires chez les embryons, mais ils n’étaient pas au courant des détails au niveau cellulaire, comme ils le font avec le Mésolent, explique Amos.
"Il est presque du jamais vu pour quiconque de concevoir un nouvel objectif pour la microscopie optique et nous l'avons fait pour essayer de prendre en compte les nouveaux types de spécimens que les biologistes veulent étudier", explique Gail McConnell, collègue d'Amos à l'université de Strathclyde Glasgow, expliquant les scientifiques sont intéressés à étudier des organismes intacts mais ne veulent pas compromettre la quantité de détails qu'ils peuvent voir.
Jusqu'à présent, l'industrie du stockage de données a exprimé son intérêt pour l'utilisation du Mesolens pour étudier les matériaux semi-conducteurs, et les membres de l'industrie pétrolière ont été intéressés par cette image pour imager des matériaux provenant de sites de forage potentiels. La conception de la lentille capte particulièrement bien la lumière, ce qui permet aux chercheurs de voir se dérouler des détails complexes, tels que les cellules d’une tumeur métastasée migrant vers l’extérieur. Mais le véritable potentiel de ces nouvelles techniques reste à voir.
«Si vous développez un objectif différent de tout ce qui a été fait au cours des 100 dernières années, cela ouvre toutes sortes de possibilités inconnues», déclare Amos. "Nous commençons à peine à comprendre quelles sont ces possibilités."
Note de l'éditeur, 31 mars 2017: Ce billet a été modifié pour refléter le fait que Leeuwenhoek n'a pas amélioré le microscope composé et que la collection de Ruzin remonte au 17e siècle.
Selon Steven Ruzin de l'Université de Berkeley, le Micrographia de Hooke, publié en 1665, est comparable à la Bible des biologistes de Gutenberg. Il contient les premiers dessins détaillés d'un spécimen de microscope allant des grains de pollen au tissu. Il reste moins de 1 000 exemplaires, mais les images continuent d'inspirer les microscopistes. (Wikimedia Commons) 
La lune décrite dans Micrographia (Wikimedia Commons) 
Suber cells et feuilles de mimosa (Wikimedia Commons) 
Schem. XXXV - D'un pou Diagramme d'un pou (Wikimedia Commons) 
Schem. XXIX - "Le grand Gnat ventre ou femme Gnat". Une illustration d'un Gnat que Sir Christopher Wren aurait dessiné. (Wikimedia Commons) 
Schem. XXIV - De la structure et du mouvement des ailes de mouches. Une illustration d'une mouche bleue qui aurait été dessinée par Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Le microscope de Robert Hooke, esquisse de sa publication originale (Wikimedia Commons) 
La célèbre puce décrite dans le livre Micrographia (Wikimedia Commons) 
Quelques cristaux décrits dans Micrographia (Wikimedia Commons) 
Le liège décrit dans Micrographia par Robert Hooke (Wikimedia Commons)
