Los microscopios modernos que se utilizan para la obtención de imágenes biológicas son caros, están ubicados en laboratorios especializados y requieren personal altamente calificado. Para investigar novela, Los enfoques creativos para abordar cuestiones científicas urgentes, por ejemplo, en la lucha contra enfermedades infecciosas como COVID-19, se reservan principalmente para científicos de instituciones de investigación bien equipadas en países ricos. Un joven equipo de investigación del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica (Leibniz IPHT) en Jena, la Universidad Friedrich Schiller y el Hospital Universitario de Jena quieren cambiar esto:los investigadores han desarrollado una caja de herramientas ópticas para construir microscopios por unos pocos cientos de euros que brindan imágenes de alta resolución comparables a los microscopios comerciales que cuestan entre cien y mil veces más. Con planos de código abierto, componentes de la impresora 3D y la cámara del teléfono inteligente, el sistema modular UC2 (You. See. Too.) se puede combinar específicamente en la forma en que lo requiere la pregunta de investigación:desde la observación a largo plazo de organismos vivos en la incubadora hasta una caja de herramientas para la educación óptica. El equipo de investigación presenta su desarrollo el 25 de noviembre de 2020 en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza .

El bloque de construcción básico del sistema UC2 es un simple cubo imprimible en 3-D con una longitud de borde de 5 centímetros, que puede albergar una variedad de componentes como lentes, LEDs o cámaras. Varios de estos cubos están conectados a una placa base de trama magnética. Inteligentemente arreglado, así, los módulos dan como resultado un potente instrumento óptico. Un concepto óptico según el cual coinciden los planos focales de lentes adyacentes es la base de la mayoría de las configuraciones ópticas complejas, como los microscopios modernos. Con la caja de herramientas UC2, el equipo de investigación de Ph.D. estudiantes en el laboratorio del Prof.Dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT y Friedrich Schiller University Jena, muestra cómo este proceso inherentemente modular puede entenderse intuitivamente en experimentos prácticos. De este modo, UC2 también proporciona a los usuarios sin formación técnica una herramienta óptica que pueden utilizar, modificar y expandir, dependiendo de lo que estén investigando.

Controle los patógenos y luego recicle el microscopio contaminado

Helge Ewers, Catedrático de Bioquímica en la Universidad Libre de Berlín y la Charité, está investigando patógenos usando la caja de herramientas UC2. "El sistema UC2 nos permite producir un microscopio de alta calidad a bajo costo, con el que podemos observar células vivas en una incubadora, ", afirma. UC2 abre áreas de aplicación para la investigación biomédica para las que los microscopios convencionales no son adecuados". Los microscopios comerciales que se pueden utilizar para examinar patógenos durante un período de tiempo más largo cuestan cientos o miles de veces más que nuestra configuración UC2, "dice Benedict Diederich, Doctor. estudiante en Leibniz-IPHT, que desarrolló allí la caja de herramientas ópticas junto con René Lachmann. "Difícilmente puede llevarlos a un laboratorio contaminado del cual no podrá sacarlos porque no se pueden limpiar fácilmente". El microscopio UC2 ​​de plástico, por otra parte, se puede quemar o reciclar fácilmente después de su uso exitoso en el laboratorio de seguridad biológica. Para un estudio en el Hospital Universitario de Jena, El equipo de UC2 observó la diferenciación de monocitos en macrófagos en la incubadora durante un período de una semana para obtener información sobre cómo el sistema inmunológico innato combate los patógenos en el cuerpo.

Construir según el principio de Lego:de la idea al prototipo

Construir de acuerdo con el principio de LEGO:esto no solo despierta el instinto de juego interno de los usuarios, observa el equipo de UC2, pero también abre nuevas posibilidades para que los investigadores diseñen un instrumento adaptado con precisión a su pregunta de investigación. "Con nuestro método, es posible ensamblar rápidamente la herramienta adecuada para mapear celdas específicas, "explica Benedict Diederich." Si, por ejemplo, se requiere una longitud de onda roja como excitación, simplemente instale el láser apropiado y cambie el filtro. Si se necesita un microscopio invertido, apila los cubos en consecuencia. Con el sistema UC2, los elementos se pueden combinar dependiendo de la resolución requerida, estabilidad, duración o método de microscopía y probado directamente en el proceso de "creación rápida de prototipos".

La visión:ciencia abierta

Los investigadores publican planes de construcción y software en el repositorio en línea de libre acceso GitHub, para que la comunidad de código abierto de todo el mundo pueda acceder, reconstruir, modificar y ampliar los sistemas presentados. "Con los comentarios de los usuarios, mejoramos el sistema paso a paso y añadimos siempre nuevas soluciones creativas, ", informa René Lachmann. Los primeros usuarios ya han comenzado a expandir el sistema para ellos y sus propósitos. Estamos ansiosos por ver cuándo podemos presentar las primeras soluciones de usuario".

El objetivo detrás de esto es permitir la ciencia abierta. Gracias a la documentación detallada, los investigadores pueden reproducir y seguir desarrollando experimentos en cualquier parte del mundo, incluso más allá de los laboratorios bien equipados. "Cambio de paradigma:ciencia por una moneda de diez centavos" es lo que Benedict Diederich llama a esta visión:presagiar un cambio de paradigma en el que el proceso científico sea lo más abierto y transparente posible, de libre acceso para todos, donde los investigadores comparten sus conocimientos entre sí y los incorporan a su trabajo.

La caja de experimentos UC2 lleva la ciencia a las escuelas

Para que los jóvenes se interesen especialmente por la óptica, el equipo de investigación ha desarrollado un conjunto de herramientas sofisticadas con fines educativos en escuelas y universidades. Con "The Box", UC2 presenta un kit que permite a los usuarios aprender y probar conceptos ópticos y métodos de microscopía. "Los componentes se pueden combinar para formar un proyector o un telescopio; se puede construir un espectrómetro o un microscopio de teléfono inteligente, "explica Barbora Maršíková, que desarrolló experimentos y una serie de documentaciones listas para usar que el equipo de UC2 ya probó en varios talleres en Jena y sus alrededores, así como en los EE. UU. en Gran Bretaña y Noruega. En Jena, los jóvenes investigadores ya han utilizado la caja de herramientas UC2 en varias escuelas y, por ejemplo, apoyaron a los alumnos para construir un microscopio de fluorescencia para detectar microplásticos. "Hemos combinado UC2 ​​con nuestro teléfono inteligente. Esto nos permitió construir nuestro propio microscopio de fluorescencia de manera rentable sin ningún conocimiento óptico importante y desarrollar un método comparativamente simple para detectar partículas de plástico en cosméticos". "informa Emilia Walther de la escuela Montessori en Jena, quien, junto con su grupo, persigue un enfoque innovador de aprendizaje interdisciplinario.

"Queremos que las técnicas de microscopía modernas sean accesibles a un público amplio, "dice Benedict Diederich, "y construir una comunidad de microscopía abierta y creativa". Este enfoque de la enseñanza de `` hágalo usted mismo '' tiene un gran potencial, especialmente en tiempos de la pandemia de Corona, cuando el acceso al material didáctico en el hogar es muy limitado.