Moderne microscopen die worden gebruikt voor biologische beeldvorming zijn duur, bevinden zich in gespecialiseerde laboratoria en vereisen hooggekwalificeerd personeel. Om roman te onderzoeken, creatieve benaderingen om urgente wetenschappelijke problemen aan te pakken, bijvoorbeeld in de strijd tegen infectieziekten zoals COVID-19, zijn dus in de eerste plaats voorbehouden aan wetenschappers van goed uitgeruste onderzoeksinstellingen in rijke landen. Een jong onderzoeksteam van het Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena, de Friedrich Schiller Universiteit en het Jena Universitair Ziekenhuis willen hier verandering in brengen:de onderzoekers hebben een optische toolbox ontwikkeld om voor een paar honderd euro microscopen te bouwen die hoge resolutie beelden opleveren die vergelijkbaar zijn met commerciële microscopen die honderd tot duizend keer meer kosten. Met open source blauwdrukken, componenten van de 3D-printer en smartphonecamera, het UC2 (You. See. Too.) modulaire systeem kan specifiek worden gecombineerd op de manier waarop de onderzoeksvraag vereist - van langdurige observatie van levende organismen in de couveuse tot een gereedschapskist voor optica-onderwijs. Het onderzoeksteam presenteert zijn ontwikkeling op 25 november, 2020 in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .

De basisbouwsteen van het UC2-systeem is een eenvoudige 3D-printbare kubus met een randlengte van 5 centimeter, die een verscheidenheid aan componenten kan bevatten, zoals lenzen, LED's of camera's. Verscheidene van dergelijke kubussen zijn op een magnetische rasterbodemplaat gestoken. Slim geregeld, de modules resulteren dus in een krachtig optisch instrument. Een optisch concept waarbij brandvlakken van aangrenzende lenzen samenvallen, vormt de basis voor de meeste complexe optische opstellingen zoals moderne microscopen. Met de UC2-toolbox, het onderzoeksteam van Ph.D. studenten aan het lab van Prof. Dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT en Friedrich Schiller Universiteit Jena, laat zien hoe dit inherent modulaire proces intuïtief kan worden begrepen in hands-on-experimenten. Op deze manier, UC2 biedt gebruikers zonder technische opleiding ook een optisch hulpmiddel dat ze kunnen gebruiken, aanpassen en uitbreiden, afhankelijk van wat ze onderzoeken.

Controleer ziekteverwekkers en recycle vervolgens de besmette microscoop

Helge Ewers, hoogleraar biochemie aan de Vrije Universiteit van Berlijn en de Charité, onderzoekt pathogenen met behulp van de UC2-toolbox. "Het UC2-systeem stelt ons in staat om tegen lage kosten een hoogwaardige microscoop te produceren, waarmee we levende cellen in een broedstoof kunnen observeren, Hij stelt. UC2 opent dus toepassingsgebieden voor biomedisch onderzoek waarvoor conventionele microscopen niet geschikt zijn. " zegt Benedict Diederich, doctoraat student aan Leibniz-IPHT, die daar samen met René Lachmann de optische gereedschapskist ontwikkelde. "Je krijgt ze nauwelijks in een besmet laboratorium waar je ze misschien niet kunt verwijderen omdat ze niet gemakkelijk te reinigen zijn." De UC2 microscoop van kunststof, anderzijds, kan gemakkelijk worden verbrand of gerecycled na succesvol gebruik in het biologische veiligheidslaboratorium. Voor een studie aan het Jena University Hospital, het UC2-team observeerde de differentiatie van monocyten tot macrofagen in de incubator gedurende een periode van een week om inzicht te krijgen in hoe het aangeboren immuunsysteem ziekteverwekkers in het lichaam bestrijdt.

Bouwen volgens het Lego-principe:van idee tot prototype

Bouwen volgens het LEGO-principe - dit wekt niet alleen het innerlijke speelinstinct van de gebruiker, observeert het UC2-team, maar het opent ook nieuwe mogelijkheden voor onderzoekers om een ​​instrument te ontwerpen dat precies is afgestemd op hun onderzoeksvraag. “Met onze methode het is mogelijk om snel de juiste tool samen te stellen om specifieke cellen in kaart te brengen, " legt Benedict Diederich uit. "Als, bijvoorbeeld, een rode golflengte is vereist als excitatie, u installeert eenvoudig de juiste laser en vervangt het filter. Als een omgekeerde microscoop nodig is, je stapelt de kubussen dienovereenkomstig. Met het UC2-systeem, elementen kunnen worden gecombineerd afhankelijk van de vereiste resolutie, stabiliteit, duur- of microscopiemethode en direct getest in het "rapid prototyping"-proces.

De visie:open wetenschap

De onderzoekers publiceren bouwplannen en software op de vrij toegankelijke online repository GitHub, zodat de open-sourcegemeenschap over de hele wereld toegang heeft tot, herbouwen, wijzigen en uitbreiden van de gepresenteerde systemen. "Met de feedback van gebruikers, we verbeteren het systeem stap voor stap en voegen steeds nieuwe creatieve oplossingen toe, ", meldt René Lachmann. De eerste gebruikers zijn al begonnen het systeem voor zichzelf en hun doeleinden uit te breiden. "We zijn benieuwd wanneer we de eerste gebruikersoplossingen kunnen presenteren."

Het doel hierachter is om open science mogelijk te maken. Dankzij de gedetailleerde documentatie, onderzoekers kunnen overal ter wereld experimenten reproduceren en verder ontwikkelen, zelfs buiten goed uitgeruste laboratoria. "Change in Paradigm:Science for a Dime" noemt Benedict Diederich deze visie:een paradigmaverschuiving inluiden waarin het wetenschappelijke proces zo open en transparant mogelijk is, vrij toegankelijk voor iedereen, waar onderzoekers hun kennis met elkaar delen en integreren in hun werk.

UC2-experimentdoos brengt wetenschap naar scholen

Om vooral jongeren voor optica te interesseren, het onderzoeksteam heeft een geavanceerde toolset ontwikkeld voor educatieve doeleinden op scholen en universiteiten. Met "The Box" introduceert UC2 een kit waarmee gebruikers optische concepten en microscopiemethoden kunnen leren en uitproberen. "De componenten kunnen worden gecombineerd om een ​​projector of een telescoop te vormen; je kunt een spectrometer of een smartphonemicroscoop bouwen, " legt Barbora Maršíková uit, die experimenten en een reeks gebruiksklare documentatie ontwikkelde die het UC2-team al in verschillende workshops in en rond Jena en in de VS heeft getest, in Groot-Brittannië en Noorwegen. in Jena, de jonge onderzoekers hebben de UC2-toolbox al op verschillende scholen gebruikt en b.v. ondersteunde leerlingen bij het bouwen van een fluorescentiemicroscoop om microplastics op te sporen. "We hebben UC2 gecombineerd met onze smartphone. Dit stelde ons in staat om kosteneffectief onze eigen fluorescentiemicroscoop te bouwen zonder enige grote optische kennis en om een ​​vergelijkbaar eenvoudige methode te ontwikkelen voor het detecteren van plastic deeltjes in cosmetica, " meldt Emilia Walther van de Montessorischool in Jena, die samen met haar groep een vernieuwende interdisciplinaire leeraanpak nastreeft.

"We willen moderne microscopietechnieken toegankelijk maken voor een breed publiek, " zegt Benedict Diederich, "en een open en creatieve microscopiegemeenschap opbouwen." Deze zelfbouwbenadering van lesgeven heeft een enorm potentieel, Zeker in tijden van de Corona pandemie, wanneer de toegang tot lesmateriaal thuis ernstig beperkt is.