2013/01/04
De ontwikkeling van microtechnologie heeft het voor wetenschappers gemakkelijker gemaakt om de microwereld te bestuderen. Maar onder een gewone microscoop zien cellen er hetzelfde uit, waardoor ze moeilijk van elkaar te onderscheiden zijn. Om dit probleem op te lossen, hebben wetenschappers verschillende methoden bedacht: het gebruik van genetische modificatie om cellen te veranderen, het kleuren van cellen met kleurstoffen, enzovoort. Uiteindelijk zijn cellen onder de microscoop niet langer eentonig, maar een prachtig schouwspel.
Of we het nu leuk vinden of niet, onze ogen gebruiken altijd dezelfde manier om informatie te verzamelen: netvliescellen vangen fotonen op. Deze informatie wordt doorgegeven aan de hersenen, die er een beeld van maken. Als het object te klein is, is de reflectie van de fotonen te zwak, waardoor het menselijk oog de structuur ervan niet kan waarnemen. In dat geval moeten we microscopisch onderzoek uitvoeren. Dit artikel toont afbeeldingen die niet alleen een belangrijke wetenschappelijke waarde hebben, maar ook een sterke artistieke schoonheid bezitten. Deze afbeeldingen vertegenwoordigen de meest geavanceerde optische microscopietechnieken in biologisch onderzoek.
Op dit moment ondergaat de optische microscopie een ongekende verandering. Wetenschappers gebruiken nieuwe fluorescerende markers en genetische modificatietechnologie om weefselmonsters te bewerken, waardoor microscopische beelden in weefselmonsters kleurrijk worden en de weg wordt geopend naar nieuwe ontdekkingen. Het is een nieuwe technologie die door onderzoekers wordt omarmd. Met deze techniek kan elke zenuw in de hersenen van een muis verschillende kleuren vertonen, waardoor we de complexiteit van neurale netwerken kunnen volgen en specifieke axonen kunnen analyseren, en zelfs een complete neurale netwerkkaart kunnen maken – iets wat met oudere beeldvormingstechnieken onmogelijk was.
De nauwkeurigheid van de microscoop is ook verbeterd. We kunnen een markering aanbrengen op een specifiek eiwit en vervolgens de microscoop gebruiken om de activiteiten ervan in de organisatielijn te observeren; celdeling en differentiatie in detail kunnen we in één oogopslag waarnemen. Onderzoekers kunnen snel, zelfs bij fel licht, momentane gebeurtenissen binnen een cel of weefsel vastleggen en fijne intracellulaire levensprocessen observeren bij weinig licht. Met de ontwikkeling van microtechnologie zal de tegenstelling tussen snelheid en resolutie van beeldacquisitie worden opgelost.
Tegenwoordig kunnen met diverse microscopische technieken zelfs de meest subtiele biologische structuren worden waargenomen (en de behandeling ervan is gebaseerd op een groot aantal observatiegegevens). De brede toepassing van deze technieken heeft voor ons een solide basis gelegd om de essentie van het leven te begrijpen.
Complexe hersenen: Thomas Deerinck van de Universiteit van Californië, San Diego, gebruikte tweefotonenmicroscopie om beelden te maken van een slechts 400 µm dik stukje muizencerebellumweefsel met een fijne microstructuur (zie afbeelding hierboven). Groen geeft Purkinje-cellen weer, rood astrocyten en blauw de celkern. Jean Rivet van de Harvard University gebruikte confocale microscopie om plakjes genetisch gemodificeerd muizenhersenstamweefsel (340 µm) te bestuderen. Door deze genetische modificatie heeft elke neuron in de muis een andere kleur (zie hieronder). Door neuronen een andere kleur te geven (bijvoorbeeld "Brainbow") kunnen wetenschappers de richting van een individuele axon in het complexe neurale netwerk observeren.
Weefselstructuur van het binnenoor van een muis
Omdat de ruimte smal is en moeilijk te scheiden, is de structuur van het binnenoor erg lastig te observeren. Sonia Piot (Sonja Piott) van de University of North Carolina Wilmington heeft de haarcellen van het binnenoor van een muis vastgelegd (linksboven). Deze cellen kunnen geluidsgolven mechanisch omzetten in elektrische pulssignalen. Op de afbeelding zijn de haarcellen groen, de cellen van de haarcellen rood en blauw, en vervolgens de celkern (confocale microscopie). Glenn MacDonald (MacDonald Glen) van de University of Washington gebruikt een vergelijkbare kleuringsmethode om de weefselstructuur van het binnenoor van een muis vast te leggen (confocale microscopie).
Spiervezel in Drosophila
Spiercellen vormen een stevig spierweefsel. De dwarsdoorsnede van de tongspieren van muizen is te zien in de afbeelding hierboven, gemaakt door Thomas Deerinck van de Universiteit van Californië, San Diego. De volgende afbeelding toont de hand van Hermann Aeberli van de Universiteit van Münster, Duitsland, met de vergrote spiervezels van fruitvliegen. Door genetische variatie zien de spiervezels van de fruitvlieg er ongeorganiseerd uit (confocale microscopie).
Geitenbot 4 keer
De vinnen en het geitenbot: twee afbeeldingen tonen de dichte weefselstructuur van het gewervelde lichaam. Samuel Silberman uit Ramat Gan, Israël, vergrootte een vin van een vis honderd keer en zag daarop een gevlekt herfstpatroon (met behulp van glasvezelverlichtingstechnologie). Om de veranderingen in botvorming, botmineraaldichtheid en mineraalgehalte te observeren, vergrootten Mark Lloyd en Noel Clark van het Mo Moffett Cancer Center in Tampa, Florida, een geitenbot vier keer (zie grafiek, Hirono-microscopie).
Geitenbot 4 keer
De vinnen en het geitenbot: twee afbeeldingen tonen de dichte weefselstructuur van het gewervelde lichaam. Ramat Gan, Israël, Samuel Silberman plaatste een visvinbotje honderd keer vergroot, en daarop was een gevlekt herfstpatroon te zien (met behulp van glasvezelverlichtingstechnologie). Om de veranderingen in botvorming, botmineraaldichtheid en mineraalgehalte te observeren, vergrootten Mark Lloyd en Noel Clark van het Mo Moffett Cancer Center in Tampa, Florida, een geitenbot vier keer (zie grafiek, Hirono-microscopie). Microtubuli worden gevormd rond de chromosomen (blauw).
Hier is Jan Schmoranza (Sch-moranzer Jan), van de Columbia University, het celmembraan van cellen behandeld met serumdeprivatie, en de structuur van de microtubuli (groen). Uit de grafiek blijkt dat de microtubuli van fibroblasten abnormaal gedrag vertonen. De diameter van de microtubuli is ongeveer 20 nm. Normaal gesproken aggregeren de microtubuli bij een opening in het celmembraan, maar dat is hier niet het geval. In de interfasecel heeft Duke U - serdar, Tulu (U. serdar Tulu) in een 138 μm brede horizon de vorming van microtubuli (geel, onder) vastgelegd.
Bij deze foto's moet ik onwillekeurig denken aan de beroemde natuurkundige Richard Feynman, in de context van een grappig verhaal. Een vriend van Feynman had ooit gedacht dat wetenschappers de schoonheid van bloemen niet zo diepgaand waarderen als kunstenaars, en dat de prachtige bloemen die in volle bloei staan, uiteindelijk hun aantrekkingskracht verliezen. Feynman was het niet eens met het standpunt van zijn vriend. Hij zei: "Ik vind hem eigenlijk een beetje grappig. Ten eerste, wat is het verschil tussen hem en mij en wat ik zie? Ik geloof dat, zelfs als ik niet dezelfde esthetische training heb als hij, ik ook de schoonheid van een bloem kan waarderen... Stel je voor dat de beweging van een cel verwarrend is, is dat dan geen schoonheid? Ik bedoel, de schoonheid van een bloem zit niet alleen in de macroscopische vorm, ook in de microscopische wereld is de innerlijke structuur even fascinerend. En bloemen zijn een soort goddelijke voorziening voor insecten en de strijd die ze voeren, wat op zich al heel interessant is. Bovendien kunnen insecten misschien ook kleuren onderscheiden. Als ik naar de schoonheid van bloemen kijk, vraag ik me af: kunnen lagere dieren de schoonheid van bloemen ook waarderen? Waarom kunnen ze proeven? Deze interessante vragen bewijzen dat wetenschappelijke kennis bloemen alleen maar mysterieuzer, spannender en ontzagwekkender maakt."
