Et mikroskop for alle:Forskere udvikler open source optisk værktøjskasse

Moderne mikroskoper, der bruges til biologisk billeddannelse, er dyre, er placeret i specialiserede laboratorier og kræver højt kvalificeret personale. At forske i roman, Kreative tilgange til at løse presserende videnskabelige spørgsmål – for eksempel i kampen mod infektionssygdomme som COVID-19 – er således primært forbeholdt forskere ved veludstyrede forskningsinstitutioner i rige lande. Et ungt forskerhold fra Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) i Jena, Det ønsker Friedrich Schiller Universitetet og Jena Universitetshospital at ændre på:Forskerne har udviklet en optisk værktøjskasse til at bygge mikroskoper for et par hundrede euro, der leverer billeder i høj opløsning, der kan sammenlignes med kommercielle mikroskoper, der koster hundrede til tusind gange mere. Med open source-planer, komponenter fra 3-D-printeren og smartphone-kameraet, UC2 (You. See. Too.) modulsystemet kan kombineres specifikt på den måde, som forskningsspørgsmålet kræver - fra langtidsobservation af levende organismer i inkubatoren til en værktøjskasse til optikundervisning. Forskerholdet præsenterer sin udvikling den 25. november, 2020 i det anerkendte tidsskrift Naturkommunikation .

Den grundlæggende byggesten i UC2-systemet er en simpel 3-D-printbar kube med en kantlængde på 5 centimeter, som kan være vært for en række komponenter såsom linser, LED'er eller kameraer. Flere sådanne kuber er sat på en magnetisk rasterbundplade. smart arrangeret, modulerne resulterer således i et kraftigt optisk instrument. Et optisk koncept, ifølge hvilket fokalplaner for tilstødende linser falder sammen, er grundlaget for de fleste af de komplekse optiske opsætninger såsom moderne mikroskoper. Med UC2 værktøjskassen, forskerholdet af ph.d. studerende på laboratoriet hos prof. Dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT og Friedrich Schiller University Jena, viser, hvordan denne iboende modulære proces kan forstås intuitivt i praktiske eksperimenter. På denne måde UC2 giver også brugere uden teknisk uddannelse et optisk værktøj, som de kan bruge, ændre og udvide - afhængigt af hvad de forsker i.

Overvåg patogener - og genbrug derefter det forurenede mikroskop

Helge Ewers, Professor i biokemi ved det frie universitet i Berlin og Charité, undersøger patogener ved hjælp af UC2-værktøjskassen. "UC2-systemet giver os mulighed for at producere et mikroskop af høj kvalitet til lave omkostninger, hvormed vi kan observere levende celler i en inkubator, " fastslår han. UC2 åbner dermed op for anvendelsesområder for biomedicinsk forskning, som konventionelle mikroskoper ikke er egnede til. "Kommercielle mikroskoper, der kan bruges til at undersøge patogener over længere tid, koster hundredvis eller tusindvis af gange mere end vores UC2-setup, " siger Benedikt Diederich, Ph.D. studerende ved Leibniz-IPHT, der udviklede den optiske værktøjskasse der sammen med René Lachmann. "Du kan næsten ikke få dem ind i et forurenet laboratorium, hvorfra du måske ikke kan fjerne dem, fordi de ikke kan rengøres nemt." UC2 mikroskop lavet af plastik, på den anden side, kan let brændes eller genbruges efter vellykket brug i det biologiske sikkerhedslaboratorium. Til en undersøgelse på Jena Universitetshospital, UC2-holdet observerede differentieringen af ​​monocytter til makrofager i inkubatoren over en periode på en uge for at få indsigt i, hvordan det medfødte immunsystem bekæmper patogener i kroppen.

Bygning efter Lego-princippet:Fra idé til prototype

At bygge efter LEGO-princippet – dette vækker ikke kun brugernes indre legeinstinkt, observerer UC2-teamet, men det åbner også nye muligheder for forskerne til at designe et instrument, der er præcist skræddersyet til deres forskningsspørgsmål. "Med vores metode, det er muligt hurtigt at samle det rigtige værktøj til at kortlægge specifikke celler, " forklarer Benedict Diederich. "Hvis, for eksempel, en rød bølgelængde er påkrævet som excitation, du installerer blot den passende laser og skifter filteret. Hvis et omvendt mikroskop er nødvendigt, du stabler ternene derefter. Med UC2-systemet, elementer kan kombineres afhængigt af den nødvendige opløsning, stabilitet, varighed eller mikroskopimetode og testet direkte i "hurtig prototyping"-processen.

Visionen:Åben videnskab

Forskerne udgiver byggeplaner og software på det frit tilgængelige online-depot GitHub, så open source-fællesskabet over hele verden kan få adgang til, genopbygge, ændre og udvide de præsenterede systemer. "Med feedback fra brugere, vi forbedrer systemet trin for trin og tilføjer stadig nye kreative løsninger, " rapporterer René Lachmann. De første brugere er allerede begyndt at udvide systemet til sig selv og deres formål. "Vi er spændte på at se, hvornår vi kan præsentere de første brugerløsninger."

Målet bag dette er at muliggøre åben videnskab. Takket være den detaljerede dokumentation, forskere kan reproducere og videreudvikle eksperimenter overalt i verden, selv ud over veludstyrede laboratorier. "Change in Paradigm:Science for a Dime" er, hvad Benedict Diederich kalder denne vision:at indvarsle et paradigmeskifte, hvor den videnskabelige proces er så åben og gennemsigtig som muligt, frit tilgængelig for alle, hvor forskere deler deres viden med hinanden og inddrager den i deres arbejde.

UC2 eksperimentboks bringer videnskab til skolerne

For at få især unge mennesker til at interessere sig for optik, forskerholdet har udviklet et sofistikeret værktøjssæt til undervisningsformål på skoler og universiteter. Med "The Box" introducerer UC2 et kit, der gør det muligt for brugerne at lære om og afprøve optiske koncepter og mikroskopimetoder. "Komponenterne kan kombineres til en projektor eller et teleskop; du kan bygge et spektrometer eller et smartphonemikroskop, " forklarer Barbora Maršíková, som udviklede eksperimenter og en række brugsklare dokumentationer, som UC2-teamet allerede har testet på adskillige workshops i og omkring Jena samt i USA, i Storbritannien og Norge. I Jena, de unge forskere har allerede brugt UC2-værktøjskassen på flere skoler og f.eks. støttede elever til at bygge et fluorescensmikroskop til at detektere mikroplast. "Vi har kombineret UC2 med vores smartphone. Dette gjorde det muligt for os at bygge vores eget fluorescensmikroskop omkostningseffektivt uden nogen større optisk viden og at udvikle en forholdsvis enkel metode til at detektere plastikpartikler i kosmetik, " rapporterer Emilia Walther fra Montessoriskolen i Jena, som sammen med sin gruppe forfølger en innovativ tværfaglig læringstilgang.

"Vi ønsker at gøre moderne mikroskopiteknikker tilgængelige for en bred offentlighed, " siger Benedikt Diederich, "og opbygge et åbent og kreativt mikroskopifællesskab." Denne byg-det-selv tilgang til undervisning har et enormt potentiale, især i tider med Corona-pandemien, når adgangen til undervisningsmateriale i hjemmet er stærkt begrænset.