I moderni microscopi utilizzati per l'imaging biologico sono costosi, si trovano in laboratori specializzati e richiedono personale altamente qualificato. Per ricercare il romanzo, approcci creativi per affrontare questioni scientifiche urgenti, ad esempio nella lotta contro le malattie infettive come il COVID-19, sono quindi principalmente riservati agli scienziati di istituti di ricerca ben attrezzati nei paesi ricchi. Un giovane gruppo di ricerca del Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) di Jena, la Friedrich Schiller University e l'ospedale universitario di Jena vogliono cambiare questa situazione:i ricercatori hanno sviluppato una cassetta degli attrezzi ottici per costruire microscopi per poche centinaia di euro che forniscono immagini ad alta risoluzione paragonabili ai microscopi commerciali che costano da cento a mille volte di più. Con progetti open source, componenti della stampante 3D e della fotocamera dello smartphone, il sistema modulare UC2 (You. See. Too.) può essere combinato in modo specifico nel modo richiesto dalla domanda di ricerca:dall'osservazione a lungo termine di organismi viventi nell'incubatrice a una cassetta degli attrezzi per l'educazione all'ottica. Il gruppo di ricerca presenta il suo sviluppo il 25 novembre, 2020 sulla rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .

L'elemento base del sistema UC2 è un semplice cubo stampabile in 3D con una lunghezza del bordo di 5 centimetri, che può ospitare una varietà di componenti come lenti, LED o telecamere. Molti di questi cubi sono inseriti su una piastra di base raster magnetica. Abilmente organizzato, i moduli risultano così in un potente strumento ottico. Un concetto ottico secondo il quale i piani focali delle lenti adiacenti coincidono è alla base della maggior parte delle complesse configurazioni ottiche come i moderni microscopi. Con la cassetta degli attrezzi UC2, il gruppo di ricerca del Ph.D. studenti del laboratorio del Prof. Dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT e l'Università Friedrich Schiller di Jena, mostra come questo processo intrinsecamente modulare possa essere compreso intuitivamente in esperimenti pratici. In questo modo, UC2 fornisce anche agli utenti senza formazione tecnica uno strumento ottico che possono utilizzare, modificare ed espandere, a seconda di ciò che stanno ricercando.

Monitorare gli agenti patogeni e quindi riciclare il microscopio contaminato

Helge Ewers, Professore di Biochimica presso la Libera Università di Berlino e la Charité, sta studiando gli agenti patogeni utilizzando la cassetta degli attrezzi UC2. "Il sistema UC2 ci permette di produrre un microscopio di alta qualità a basso costo, con cui possiamo osservare le cellule viventi in un'incubatrice, " afferma. UC2 apre così aree di applicazione per la ricerca biomedica per le quali i microscopi convenzionali non sono adatti. "I microscopi commerciali che possono essere utilizzati per esaminare i patogeni per un periodo di tempo più lungo costano centinaia o migliaia di volte di più rispetto alla nostra configurazione UC2, "dice Benedict Diederich, dottorato di ricerca studente presso Leibniz-IPHT, che ha sviluppato lì la cassetta degli attrezzi ottica insieme a René Lachmann. "Difficilmente puoi portarli in un laboratorio contaminato dal quale potresti non essere in grado di rimuoverli perché non possono essere puliti facilmente". Il microscopio UC2 ​​in plastica, d'altra parte, può essere facilmente bruciato o riciclato dopo il suo uso con successo nel laboratorio di sicurezza biologica. Per uno studio presso l'ospedale universitario di Jena, il team dell'UC2 ha osservato la differenziazione dei monociti in macrofagi nell'incubatrice per un periodo di una settimana al fine di ottenere informazioni su come il sistema immunitario innato combatte i patogeni nel corpo.

Costruire secondo il principio Lego:dall'idea al prototipo

Costruire secondo il principio LEGO:questo non solo risveglia l'istinto di gioco interiore degli utenti, osserva il team UC2, ma apre anche nuove possibilità ai ricercatori di progettare uno strumento su misura per la loro domanda di ricerca. "Con il nostro metodo, è possibile assemblare rapidamente lo strumento giusto per mappare celle specifiche, " spiega Benedict Diederich. "Se, Per esempio, una lunghezza d'onda rossa è richiesta come eccitazione, è sufficiente installare il laser appropriato e cambiare il filtro. Se è necessario un microscopio invertito, impilate i cubi di conseguenza. Con il sistema UC2, gli elementi possono essere combinati a seconda della risoluzione richiesta, stabilità, durata o metodo di microscopia e testato direttamente nel processo di "prototipazione rapida".

La Visione:Scienza Aperta

I ricercatori pubblicano piani di costruzione e software sul repository online liberamente accessibile GitHub, in modo che la comunità open-source di tutto il mondo possa accedere, ricostruire, modificare ed espandere i sistemi presentati. "Con il feedback degli utenti, miglioriamo il sistema passo dopo passo e aggiungiamo soluzioni creative sempre nuove, " riferisce René Lachmann. I primi utenti hanno già iniziato ad espandere il sistema per se stessi e per i loro scopi. "Siamo ansiosi di vedere quando potremo presentare le prime soluzioni per gli utenti".

L'obiettivo alla base di questo è quello di consentire la scienza aperta. Grazie alla dettagliata documentazione, i ricercatori possono riprodurre e sviluppare ulteriormente esperimenti in qualsiasi parte del mondo, anche al di là di laboratori ben attrezzati. "Change in Paradigm:Science for a Dime" è ciò che Benedict Diederich chiama questa visione:annunciare un cambiamento di paradigma in cui il processo scientifico sia il più aperto e trasparente possibile, liberamente accessibile a tutti, dove i ricercatori condividono le loro conoscenze tra loro e le incorporano nel loro lavoro.

La scatola degli esperimenti UC2 porta la scienza nelle scuole

Per interessare soprattutto i giovani all'ottica, il team di ricerca ha sviluppato un sofisticato set di strumenti per scopi didattici nelle scuole e nelle università. Con "The Box" UC2 introduce un kit che consente agli utenti di conoscere e provare concetti ottici e metodi di microscopia. "I componenti possono essere combinati per formare un proiettore o un telescopio; puoi costruire uno spettrometro o un microscopio per smartphone, " spiega Barbora Maršíková, che ha sviluppato esperimenti e una serie di documentazioni pronte all'uso che il team UC2 ha già testato in diversi workshop a Jena e dintorni e negli Stati Uniti, in Gran Bretagna e Norvegia. A Jena, i giovani ricercatori hanno già utilizzato il toolbox UC2 in diverse scuole e ad es. ha aiutato gli alunni a costruire un microscopio a fluorescenza per rilevare le microplastiche. "Abbiamo combinato UC2 ​​con il nostro smartphone. Questo ci ha permesso di costruire il nostro microscopio a fluorescenza in modo conveniente senza grandi conoscenze ottiche e di sviluppare un metodo relativamente semplice per rilevare le particelle di plastica nei cosmetici, " racconta Emilia Walther della Scuola Montessori di Jena, che insieme al suo gruppo sta perseguendo un innovativo approccio di apprendimento interdisciplinare.

"Vogliamo rendere le moderne tecniche di microscopia accessibili a un vasto pubblico, "dice Benedict Diederich, "e costruire una comunità di microscopia aperta e creativa." Questo approccio all'insegnamento fai-da-te ha un enorme potenziale, soprattutto in tempi di pandemia di Corona, quando l'accesso al materiale didattico a casa è fortemente limitato.