Microscópios modernos usados ​​para imagens biológicas são caros, estão localizados em laboratórios especializados e requerem pessoal altamente qualificado. Para pesquisar romance, Abordagens criativas para abordar questões científicas urgentes - por exemplo, na luta contra doenças infecciosas como COVID-19 - são, portanto, reservadas principalmente para cientistas em instituições de pesquisa bem equipadas em países ricos. Uma jovem equipe de pesquisa do Instituto Leibniz de Tecnologia Fotônica (Leibniz IPHT) em Jena, a Friedrich Schiller University e o Jena University Hospital querem mudar isso:os pesquisadores desenvolveram uma caixa de ferramentas ópticas para construir microscópios por algumas centenas de euros que fornecem imagens de alta resolução comparáveis ​​aos microscópios comerciais que custam de cem a mil vezes mais. Com projetos de código aberto, componentes da impressora 3D e câmera do smartphone, o sistema modular UC2 (Você. Veja. Também.) pode ser combinado especificamente da maneira que a pergunta de pesquisa requer - desde a observação de longo prazo de organismos vivos na incubadora até uma caixa de ferramentas para educação em óptica. A equipe de pesquisa apresenta seu desenvolvimento em 25 de novembro, 2020 na renomada revista Nature Communications .

O bloco de construção básico do sistema UC2 é um cubo 3-D simples para impressão com um comprimento de borda de 5 centímetros, que pode hospedar uma variedade de componentes, como lentes, LEDs ou câmeras. Vários desses cubos são conectados a uma placa de base de varredura magnética. Habilmente organizado, os módulos, portanto, resultam em um poderoso instrumento óptico. Um conceito óptico segundo o qual os planos focais de lentes adjacentes coincidem é a base para a maioria das configurações ópticas complexas, como os microscópios modernos. Com a caixa de ferramentas UC2, a equipe de pesquisa do Ph.D. alunos do laboratório do Prof. Dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT e Friedrich Schiller University Jena, mostra como este processo inerentemente modular pode ser entendido intuitivamente em experimentos práticos. Desta maneira, O UC2 também fornece aos usuários sem treinamento técnico uma ferramenta óptica que eles podem usar, modificar e expandir - dependendo do que eles estão pesquisando.

Monitore os patógenos - e então recicle o microscópio contaminado

Helge Ewers, Professor de Bioquímica da Universidade Livre de Berlim e Charité, está investigando patógenos usando a caixa de ferramentas UC2. "O sistema UC2 nos permite produzir um microscópio de alta qualidade a baixo custo, com o qual podemos observar células vivas em uma incubadora, "ele afirma. UC2, portanto, abre áreas de aplicação para pesquisa biomédica para as quais os microscópios convencionais não são adequados." Microscópios comerciais que podem ser usados ​​para examinar patógenos por um período de tempo mais longo custam centenas ou milhares de vezes mais do que nossa configuração UC2, "diz Benedict Diederich, Ph.D. estudante em Leibniz-IPHT, que desenvolveu a caixa de ferramentas óticas junto com René Lachmann. "Você dificilmente pode colocá-los em um laboratório contaminado do qual não será possível removê-los porque não podem ser limpos facilmente." O microscópio UC2 ​​feito de plástico, por outro lado, pode ser facilmente queimado ou reciclado após seu uso bem-sucedido no laboratório de segurança biológica. Para um estudo no Jena University Hospital, a equipe UC2 observou a diferenciação de monócitos em macrófagos na incubadora durante um período de uma semana, a fim de obter insights sobre como o sistema imunológico inato combate os patógenos no corpo.

Construir de acordo com o princípio Lego:da ideia ao protótipo

Construir de acordo com o princípio LEGO - isso não apenas desperta o instinto de jogo interno dos usuários, observa a equipe UC2, mas também abre novas possibilidades para os pesquisadores projetarem um instrumento precisamente adaptado às suas questões de pesquisa. "Com nosso método, é possível montar rapidamente a ferramenta certa para mapear células específicas, "explica Benedict Diederich." Se, por exemplo, um comprimento de onda vermelho é necessário como excitação, você simplesmente instala o laser apropriado e troca o filtro. Se um microscópio invertido for necessário, você empilhar os cubos de acordo. Com o sistema UC2, os elementos podem ser combinados dependendo da resolução necessária, estabilidade, duração ou método de microscopia e testado diretamente no processo de "prototipagem rápida".

A Visão:Ciência Aberta

Os pesquisadores publicam planos de construção e software no repositório online de acesso gratuito GitHub, para que a comunidade de código aberto em todo o mundo possa acessar, reconstruir, modificar e expandir os sistemas apresentados. "Com o feedback dos usuários, melhoramos o sistema passo a passo e adicionamos soluções criativas sempre novas, "relata René Lachmann. Os primeiros usuários já começaram a expandir o sistema para eles e seus propósitos." Estamos ansiosos para ver quando poderemos apresentar as primeiras soluções de usuário. "

O objetivo por trás disso é permitir a ciência aberta. Graças à documentação detalhada, pesquisadores podem reproduzir e desenvolver experimentos em qualquer lugar do mundo, mesmo além de laboratórios bem equipados. "Mudança de paradigma:ciência por um centavo" é como Benedict Diederich chama essa visão:anunciar uma mudança de paradigma em que o processo científico seja o mais aberto e transparente possível, acessível gratuitamente a todos, onde os pesquisadores compartilham seus conhecimentos uns com os outros e os incorporam em seus trabalhos.

A caixa de experimentos UC2 traz ciência para as escolas

A fim de atrair especialmente os jovens para a ótica, a equipe de pesquisa desenvolveu um conjunto sofisticado de ferramentas para fins educacionais em escolas e universidades. Com "The Box", o UC2 ​​apresenta um kit que permite aos usuários aprender e experimentar conceitos óticos e métodos de microscopia. "Os componentes podem ser combinados para formar um projetor ou telescópio; você pode construir um espectrômetro ou um microscópio para smartphone, "explica Barbora Maršíková, que desenvolveu experimentos e uma série de documentações prontas para uso que a equipe UC2 já testou em vários workshops em Jena e nos arredores, bem como nos EUA, na Grã-Bretanha e na Noruega. Em Jena, os jovens pesquisadores já usaram a caixa de ferramentas UC2 em várias escolas e, por exemplo, alunos apoiados para construir um microscópio de fluorescência para detectar microplásticos. "Combinamos o UC2 ​​com nosso smartphone. Isso nos permitiu construir nosso próprio microscópio de fluorescência de maneira econômica, sem nenhum conhecimento óptico importante, e desenvolver um método comparativamente simples para detectar partículas de plástico em cosméticos, "relata Emilia Walther da Escola Montessori em Jena, que junto com seu grupo está buscando uma abordagem inovadora de aprendizagem interdisciplinar.

"Queremos tornar as técnicas de microscopia modernas acessíveis a um grande público, "diz Benedict Diederich, "e construir uma comunidade de microscopia aberta e criativa." Esta abordagem de ensino construa você mesmo tem um enorme potencial, especialmente em tempos de pandemia Corona, quando o acesso ao material de ensino em casa é severamente limitado.