Hvordan bygge et avansert mikroskop for tusen kroner

På NorMIC imaging-plattformen ved Institutt for biovitenskap er mikroskopteknologi viktig. Instituttets avanserte konfokalmikroskoper koster flere millioner. Men slike mikroskoper er ikke tilgjengelige for alle som er interessert i å se på verden i mikrometer-skala. 

En gruppe unge forskere ved Universitetet i Jena har de siste årene jobbet med å utvikle et system som gjør det mulig for alle å bygge svært avanserte og varierte mikroskop, med komponenter man enkelt kan få kjøpt.

– Dette er pionérarbeid. Forskerne fra Jena er de første til å bruke masseproduserte mobiltelefoner både til deler til mikroskopene og til prosessering, kommenterer professor Oddmund Bakke ved Institutt for biovitenskap ved UiO.

– Hvis dette utvikler seg og blir enda bedre, kan det bli virkelig stort, erklærer han. 

Arbeidet i Jena er et Phd-prosjekt ledet av professor Rainer Heintzmann, en av oppfinnerne bak mikroskop med superresolusjon, de mest avanserte av dagens lysmikroskop.

Avanserte mikroskop med mobiltelefondeler

Sammen med de ansatte på imaging-plattformen NorMIC Oslo inviterte Bakke i vinter mikroskopinteresserte ved universitetene i Bergen, Trondheim og Tromsø til en to dagers workshop med forskerne fra Jena som instruktører. Kurset ble støttet av infrastrukturmidler fra UIO:Life Sciences.

På workshopen lærte de bort hvordan man kan bygge enkle mikroskopmoduler som kan settes sammen til mer avanserte mikroskop. Dette kan gjøres ved hjelp av optikk man får kjøpt billig på eBay eller Amazon og en 3D-printer. Dataoverføringen og prosessering kan ifølge Bakke gjøres med en mobiltelefon, eller billige, små datamaskiner.

– Det er en 3D-printer som lager alle disse kubene til å putte linser i. Så settes de sammen med magneter, nesten som Lego. Etterpå setter du sammen flere kuber med linser for å få bedre resolusjon, forteller Bakke.

Opprinnelig var ideen med prosjektet å forbedre designet på et enkelt oppsett som var laget ved Cambridge, med 3D-printede mikroskop. Ambisjonsnivået har økt siden den gang.

– Når du er i et optisk laboratorium, eller et hvilket som helst laboratorium, må du sette sammen riktig utstyr. Ideen vår var å gjøre det enklere, med standardiserte komponenter, forteller en av hovedpersonene i prosjektet, forskeren René Lachmann. 

På kurset underviste han sammen med de to andre PhD-studentene på prosjektet, Benedict Dietrich og Barbora Marsikova. I tillegg gav Assistant Professor Felix Margadant fra Singapore teoretiske forelesinger innen optikk.

Et av problemene de ønsker å adressere med prosjektet, er det Lachmann kaller en reproduksjonskrise i forskningen. De gigantiske, dyre mikroskopsettene gjør det for vanskelig å reprodusere resultater fra andre forskere. Både på grunn av prisene og manglende tilgang på de samme komponentene.

– Disse standardiserte, billige mikroskopkomponentene vil gjøre det lettere å reprodusere studier. Med litt trening vil andre kunne lage identiske mikroskop, og få akkurat de samme forutsetningene i sine studier. Det er vårt svar på denne utfordringen, forklarer Lachmann.

Bøter på mikroskopmangel

Lysmikroskop har de siste årene hatt en utrolig utvikling, og oppløsningen for de mest avanserte lysmikroskopene har kommet ned mot områder som før var dekket av elektronmikroskopi. 

Det gir forskerne nye muligheter, blant annet fordi det er mulig å studere levende celler og organismer med lysmikroskopi mens elektronmikroskopet kun kan brukes på fikserte prøver.

– Vi kan nå studere levende organismer helt ned til enkeltmolekyl-nivå. Et viktig mål for biovitenskap og medisin er å studere mekanismer inne i cellene. Blant annet for å kartlegge funksjonen til alle genene er det viktig å finne ut hvor de er i cellene, og hvordan de virker, forteller Bakke.

Utfordringen med dette nitide kartleggingsarbeidet er imidlertid at det rett og slett ikke er nok mikroskop. Mikroskopene som kreves er så dyre at store universitet sjelden har særlig mange av dem. Forskere rundt om i verden betaler tusenvis av kroner for å få noen timers tilgang. Ved UiO er det heller ikke mange av disse mikroskopene.

– Vi har ett senter her med 10 mikroskop. Det er alt, på hele Det matematisk-naturvitenskapelige fakultetet, sier Bakke.

Han håper at dette prosjektet kan revolusjonere kapasiteten og få opp farten på arbeidet, spesielt for langtidsstudier av celler og organismer.

Fremdeles utfordringer igjen

– Forskerne som har begynt å begynt å prøve ut mikroskopene har støtt på noen problemer.
Vi tester dette utstyret på ulike vitenskapelige felt, og publiserer i disse dager en artikkel, forteller René Lachmann. Dette er en studie hvor vi har satt de enkle mikroskopene inn i en inkubator for cellevekst, noe man ikke ville gjøre med dyre og store mikroskop. 

Vanligvis vil man undersøke celler i et kjempemikroskop, fordi cellene krever et ekstremt stabilt miljø. En stor del av mikroskopet er altså en slags ekstra inkubator. I teorien kan man sette modulene inn i inkubatorene cellene allerede oppbevares i, og overføre data ut via trådløs tilkobling. Dette viste seg likevel bli en utfordring i praksis.

– Vi støtte på et problem med noen av materialene vi bruker til kubene. De smelter på 50 grader. Inkubatoren trenger 100 prosent fuktighet og 37 grader for at cellene skal vokse.

Selv om materialene ikke smelter helt ved 37 grader er det dessverre nok til at de ikke holder formen fullstendig. Det er avgjørende for at resultatet skal bli godt, forklarer han.

– Vi kunne ha brukt andre materialer istedenfor, men disse er dyrere og vanskeligere å printe ut i 3D-printer. I tillegg er de ikke nedbrytbare, og dermed forurensende, påpeker Lachmann.

Dugnadsdrevet teknologiutvikling

– Med et stort, tradisjonelt mikroskopoppsett er du redd for å ødelegge eller sette mikroskopet ut av stilling hvis du prøver å endre noe. Du aner ikke hvordan mikroskopet fungerer. Så hvordan skal man lære hvordan de fungerer, spør Lachmann.

Å gjøre feil med kommersielle mikroskop kan bli kostbart. Det, mener Bakke, er grunnen til at forskerne ikke får innsikt i mekanikken.

– Med de kommersielle oppsettene vil du miste garantien hvis du rører noe. Her er det omvendt, du skal ta på det, du skal bygge og tilpasse. For læringsutbyttet er det fantastisk. Det er derfor vi først har invitert de som arbeider på mikroskopplattformer i Norge til å komme og lære om dette, sier han.

Mens mikroskopfabrikanter patenterer og hemmeligholder viktige mikroskopprinsipper, har gruppen fra Jena gått i helt motsatt retning og satset på open source.

– Tanken er at dette skal være fritt tilgjengelig så alle kan delta i utviklingen. På Git-Hub siden vår (delingsside for programvare) kan du finne oppskriften. I teorien kan du delta i en workshop som denne der du er. Det meste av det vi viser fram i dag ligger allerede på hjemmesiden vår, sier Lachmann.
Utviklingen av teknologien gjør forskergruppa derfor sammen med alle som er interessert i å bruke slike mikroskop. Interessen hos andre forskere er der, forteller han.

– Folk har allerede begynt å bygge selv. Og de tar kontakt med oss. På den måten fremmer dette kreativitet og samarbeid. Vi gjør masse feil ennå. Når andre utforsker, kan de både finne og rette feil, og de kan tilpasse teknologien til sine egne behov.