Moderna mikroskop som används för biologisk avbildning är dyra, finns i specialiserade laboratorier och kräver högkvalificerad personal. Att forska roman, kreativa tillvägagångssätt för att ta itu med brådskande vetenskapliga frågor-till exempel i kampen mot infektionssjukdomar som COVID-19-är därför främst reserverade för forskare vid välutrustade forskningsinstitutioner i rika länder. Ett ungt forskargrupp från Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) i Jena, Friedrich Schiller University och Jena University Hospital vill ändra detta:Forskarna har utvecklat en optisk verktygslåda för att bygga mikroskop för några hundra euro som levererar högupplösta bilder jämförbara med kommersiella mikroskop som kostar hundra till tusen gånger mer. Med ritningar med öppen källkod, komponenter från 3D-skrivaren och smarttelefonkameran, UC2 (You. See. Too.) modulsystem kan kombineras specifikt på det sätt forskningsfrågan kräver-från långsiktig observation av levande organismer i inkubatorn till en verktygslåda för optikutbildning. Forskargruppen presenterar sin utveckling den 25 november, 2020 i den berömda tidskriften Naturkommunikation .

Den grundläggande byggstenen i UC2-systemet är en enkel 3D-utskrivbar kub med en kantlängd på 5 centimeter, som kan vara värd för en mängd olika komponenter, såsom linser, Lysdioder eller kameror. Flera sådana kuber är anslutna till en magnetisk rasterbasplatta. Snyggt arrangerat, modulerna resulterar således i ett kraftfullt optiskt instrument. Ett optiskt koncept enligt vilket fokalplan för intilliggande linser sammanfaller är grunden för de flesta komplexa optiska inställningarna som moderna mikroskop. Med UC2 verktygslåda, forskargruppen för Ph.D. studenter vid labbet av prof. dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT och Friedrich Schiller University Jena, visar hur denna inneboende modulära process kan förstås intuitivt i praktiska experiment. På det här sättet, UC2 ger också användare utan teknisk utbildning ett optiskt verktyg som de kan använda, ändra och expandera - beroende på vad de forskar om.

Övervaka patogener - och återanvänd sedan det förorenade mikroskopet

Helge Ewers, Professor i biokemi vid Free University of Berlin och Charité, undersöker patogener i UC2 -verktygslådan. "UC2-systemet tillåter oss att producera ett mikroskop av hög kvalitet till låg kostnad, med vilka vi kan observera levande celler i en inkubator, "säger han. UC2 öppnar därmed användningsområden för biomedicinsk forskning som konventionella mikroskop inte är lämpliga för." Kommersiella mikroskop som kan användas för att undersöka patogener under en längre tid kostar hundratals eller tusentals gånger mer än vår UC2 -installation, "säger Benedict Diederich, Ph.D. student på Leibniz-IPHT, som utvecklade den optiska verktygslådan där tillsammans med René Lachmann. "Du kan knappast få dem till ett förorenat laboratorium från vilket du kanske inte kan ta bort dem eftersom de inte kan rengöras enkelt." UC2 -mikroskopet av plast, å andra sidan, kan lätt brännas eller återvinnas efter framgångsrik användning i det biologiska säkerhetslaboratoriet. För en studie vid Jena University Hospital, UC2 -teamet observerade differentieringen av monocyter till makrofager i inkubatorn under en period av en vecka för att få insikter om hur det medfödda immunsystemet bekämpar patogener i kroppen.

Bygga enligt Legoprincipen:Från idé till prototyp

Att bygga enligt LEGO -principen - det väcker inte bara användarnas inre spelinstinkt, observerar UC2 -laget, men det öppnar också nya möjligheter för forskare att designa ett instrument som är exakt anpassat till deras forskningsfråga. "Med vår metod, det är möjligt att snabbt sätta ihop rätt verktyg för att kartlägga specifika celler, "förklarar Benedict Diederich." Om, till exempel, en röd våglängd krävs som excitation, du installerar helt enkelt rätt laser och byter filter. Om ett inverterat mikroskop behövs, du staplar kuberna därefter. Med UC2 -systemet, element kan kombineras beroende på önskad upplösning, stabilitet, varaktighet eller mikroskopimetod och testas direkt i processen "snabb prototypning".

Visionen:Öppen vetenskap

Forskarna publicerar konstruktionsplaner och programvara på det fritt tillgängliga online -förvaret GitHub, så att open source-gemenskapen över hela världen kan komma åt, återuppbygga, modifiera och utöka de presenterade systemen. "Med feedback från användare, vi förbättrar systemet steg för steg och lägger till ständigt nya kreativa lösningar, "rapporterar René Lachmann. De första användarna har redan börjat utöka systemet för sig själva och sina syften." Vi är ivriga att se när vi kan presentera de första användarlösningarna. "

Målet bakom detta är att möjliggöra öppen vetenskap. Tack vare den detaljerade dokumentationen, forskare kan reproducera och vidareutveckla experiment var som helst i världen, även bortom välutrustade laboratorier. "Change in Paradigm:Science for a Dime" är vad Benedict Diederich kallar denna vision:att införa ett paradigmskifte där den vetenskapliga processen är så öppen och transparent som möjligt, fritt tillgängligt för alla, där forskare delar sin kunskap med varandra och införlivar den i sitt arbete.

UC2 -experimentboxen ger vetenskap till skolor

För att få särskilt unga intresserade av optik, forskargruppen har utvecklat en sofistikerad verktygssats för utbildningsändamål i skolor och universitet. Med "The Box" introducerar UC2 ett kit som gör det möjligt för användare att lära sig om och testa optiska koncept och mikroskopimetoder. "Komponenterna kan kombineras för att bilda en projektor eller ett teleskop; du kan bygga en spektrometer eller ett smarttelefonmikroskop, "förklarar Barbora Maršíková, som utvecklat experiment och en serie färdiga dokumentationer som UC2-teamet redan testat i flera workshops i och runt Jena samt i USA, i Storbritannien och Norge. I Jena, de unga forskarna har redan använt UC2 -verktygslådan på flera skolor och t.ex. stödde elever att bygga ett fluorescensmikroskop för att upptäcka mikroplast. "Vi har kombinerat UC2 med vår smartphone. Detta gjorde att vi kunde bygga vårt eget fluorescensmikroskop kostnadseffektivt utan större optisk kunskap och utveckla en jämförelsevis enkel metod för att upptäcka plastpartiklar i kosmetika, "rapporterar Emilia Walther från Montessoriskolan i Jena, som tillsammans med sin grupp bedriver ett innovativt tvärvetenskapligt lärande.

"Vi vill göra moderna mikroskopitekniker tillgängliga för en bred allmänhet, "säger Benedict Diederich, "och bygga upp en öppen och kreativ mikroskopimiljö." Detta bygg-det-själv-tillvägagångssätt för undervisning har en enorm potential, särskilt i tiderna med Corona -pandemin, när tillgången till läromedel hemma är kraftigt begränsad.