Сегодня все чаще используются цифровые микроскопы, по причине их удобства и эффективности. Теперь не обязательно всматриваться в объектив, когда можно просто взглянуть на монитор и увидеть широкую картинку с увеличенным рассматриваемым объектом. И что самое интересное – такой цифровой аппарат можно вполне реально собрать самостоятельно.

Микроскоп из фотоаппарата своими руками

Микроскоп из веб камеры своими руками

Поэтапная инструкция изготовления микроскопа из web-камеры.

Микроскоп х1000 своими руками: видео

Лазерный микроскоп своими руками

Экран — это просто лист бумаги. Его можно поставить на пюпитр или прикрепить скрепками к «Большой советской энциклопедии», как мы и поступили.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Антони ван Левенгука чаще других называют изобретателем микроскопа. С исторической точки зрения это не совсем верно: задолго до него и знаменитый Галилей, и отец и сын Янсены, и Корнелиус Дреббель представили публике свои оптические приборы. Однако слава Левенгука вовсе не беспочвенна: именно ему впервые удалось рассмотреть одноклеточные организмы, клетки крови, строение глаз насекомых — то есть действительно выйти на микроуровень.

Заставить каплю повиснуть и не упасть — самая сложная задача. Для этого подойдет карандаш или корпус от шариковой ручки. Стоит поэкспериментировать с углами наклона и количеством воды.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Вопреки распространенному представлению, микроскоп Левенгука совсем не был похож на современный. Он представлял собой одну-единственную линзу, зажатую в специальном штативе. Человек несведущий скорее назвал бы этот прибор лупой.

Штатив

Попасть лазером в каплю воды не так-то просто. Возможность надежно закрепить указку очень важна. Мы использовали кронштейны для пайки из радиомагазина.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Капля воды — это та же линза. Взгляните на определение: линза — это деталь из прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения (сферическими поверхностями). Капля имеет форму сферы, вода однородна, поверхностное натяжение работает на ней лучше всякой полировки, и, наконец, коэффициент преломления воды не равен таковому у воздуха. А значит, капля — это линза, хотя и не очень хорошая.

Лазер

Площадь изображения на экране многократно превышает сечение лазерного луча. Поэтому, чтобы изображение было ярким, стоит раздобыть мощную лазерную указку с зеленым лучом.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Если направить на каплю луч лазерной указки и спроецировать его на белый лист бумаги, мы увидим, что происходит внутри капли. Лазер дает когерентное (образно говоря, параллельное) излучение, поэтому можно сказать, что его луч изначально идеально сфокусирован. Теоретически можно было бы использовать и обычную лампу, но для точной фокусировки ее света в капле понадобилась бы куда более сложная оптическая система. Не стоит обольщаться: это неплохой опыт по оптике, но не по биологии. Коэффициент увеличения капли невелик, поэтому объекты, которые вы увидите на экране, — это вовсе не микроорганизмы, а просто частицы пыли или мелкие волоски. Эффект движения создается за счет перемешивания воды внутри капли. И все же в зрелищности опыту не откажешь.

превратите свой смартфон в микроскоп

Микроскопия — отличное занятие, которое пробуждает любопытство к миру природы. Это также увлекательный способ развить наблюдательность и технические навыки. Однако стоимость оборудования и предполагаемая сложность использования «настоящего» микроскопа могут удерживать людей от экспериментов. К счастью, есть много способов исследовать микроскопический мир, доступные всем. Попробовав некоторые из них, вот мой выбор.

Сделай сам микроскоп: как превратить свой смартфон в микроскоп?

В Интернете можно найти множество учебных пособий, как превратить свой телефон в микроскоп .Я решил попробовать одну из самых популярных — подставку для смартфона, описанную в этом уроке.

Общий принцип заключается в использовании камеры телефона для съемки образца через увеличительную линзу, установленную на подставке, которая удерживает телефон в устойчивом положении, пока вы смотрите.

После изготовления этого микроскопа по предложенной методике я бы посоветовал сделать что-нибудь попроще. Это связано с тем, что этот проект (который занимает около 2 часов, чем 20 минут, рекламируемых в руководстве) не дает гораздо лучших результатов, чем просто прикрепление объектива к камере вашего телефона и удерживание телефона в руке, пока вы смотрите. .

Настоящая разница в том, что гораздо проще положить телефон на что-нибудь, чем пытаться держать его устойчиво в руке.

Итак, я сохранил совет из учебника, как получить объектив от дешевой лазерной указки, и технику прикрепления его к камере телефона, и придумал собственное решение. Вы можете увидеть это в этом уроке DIY-микроскопа. И на этот раз гарантирую, что это займет у вас не более 20 минут!

Вот несколько изображений, которые я сделал с помощью этого метода: вы можете угадать, на что смотрите? Публикуйте свои ответы в комментариях!

Знаменитый Foldscope

Стэнфордский биоинженер Ману Пракаш и его команда создали бумажный микроскоп с увеличением X140 и разрешением 2 микрона.Более полумиллиона Foldscopes были розданы педагогам и специалистам в области здравоохранения, и теперь любой желающий может приобрести индивидуальный комплект на веб-сайте Foldscope всего за 40 долларов. Огромное сообщество пользователей Foldscope размещает уроки, изображения и идеи на специальном веб-сайте. Я еще никогда не использовал Foldscope, но слышал, что некоторые из наших лабораторий NCCR есть: так что, пожалуйста, поделитесь своим опытом в комментарии!

Обновите свой классный микроскоп

Некоторые исследовательские микроскопы имеют сложные функции и очень дороги.Но если у вас уже есть обычный микроскоп, вот как раскрыть его потенциал! Вы можете превратить свой классный микроскоп в поляризационный микроскоп с минимальными затратами, просто добавив два поляризационных фильтра. Вы просто вырезаете один прямоугольник поляризационного фильтра и помещаете его на источник света, а затем вырезаете круг, который прикрепляете к окуляру.

Фильтры можно приобрести у поставщика дидактических материалов (я купил свой у Jeulin).

Этот метод особенно полезен для наблюдения за образцами горных пород, но он также дает прекрасные изображения, когда вы смотрите на двулучепреломляющие биологические материалы, такие как хлопковые волокна или крахмал.

Я также работаю над простым способом проведения флуоресцентной микроскопии с помощью классного микроскопа, но он все еще нуждается в улучшении. Если вы хотите узнать больше или помочь, свяжитесь со мной!

Обратитесь за помощью к профессионалам!

И, наконец, если вы учитель, помните, что информационные платформы могут вам помочь.Например, в Женевском университете платформа BiOutils обеспечивает увлекательные учебные протоколы по биологии и даже может предоставить вам микроскопы!

➡ Загрузите наше руководство по работе с микроскопом «Сделай сам»

Есть еще какие-нибудь советы по самостоятельной микроскопии? Опыт, которым можно поделиться? Вопрос? Не стесняйтесь использовать раздел комментариев!

Пройти дальше

DIY Микроскопы — CLEAR

Микроскопы — повсеместный инструмент в науке, обеспечивающий визуальный мост между миром, который мы видим нашими глазами, и микроскопическими мирами, которые мы иначе не можем обнаружить.Мы используем микроскопы в большинстве наших исследований в Civic Laboratory для проведения судебно-медицинской экспертизы пластмасс (или предполагаемых пластмасс!), Которые мы находим.

Вот краткий список ресурсов для самостоятельных микроскопов с открытым исходным кодом:

Foldscope.

Foldscope: бумажный микроскоп для оригами

Foldscope — это сверхдешевый подход, основанный на оригами, для крупномасштабного производства микроскопов, в частности, для демонстрации микроскопов светлого поля, темного поля и флуоресцентных микроскопов.Объединение принципов оптического дизайна с оригами позволяет производить микроскопы в больших объемах из 2D-материалов. Для этого требуется бумага, шаровой объектив, батарейка на 3 В, светодиодная лампа, выключатель и медная лента. В целом это стоит меньше доллара. Если вы опытный ученый, его также можно адаптировать к версиям темного поля, цветочувствительности и линз. Вот статья, в которой рассказывается, как создать свой собственный: http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0098781

Waterscope.

Waterscope

Wasterscope — это микроскоп, напечатанный на 3D-принтере, изобретенный Ричардом Боуменом. Вы можете распечатать детали самостоятельно, так как проект с открытым исходным кодом, или вы можете заказать комплект. Это цифровой микроскоп, в котором в дополнение к печатным изображениям используется цифровая камера. У него простая, но сложная система фокусировки, которая изгибает пластик, чтобы приблизить или отдалить объектив от смотровой площадки.

Взломанный телефон с линзой от лазерной указки.

Полевой микроскоп для мобильного телефона

На следующих страницах из Hackteria показаны изображения того, как вы можете установить различные линзы на свой смартфон, чтобы превратить его в простой микроскоп с очень небольшим количеством дополнительных деталей.Текст не так много, но предпосылка проста: установите объектив или даже каплю воды на слайде на небольшом расстоянии от объектива камеры вашего телефона, и добавленное расстояние + объектив создает увеличение. Вы можете попробовать разные линзы, от капель воды до линз от веб-камер и линз для лазерных указателей.

Конвертация смартфона со сценой от Instructables.

Преобразование смартфона / w Stage

Если вы ищете более конкретные инструкции по превращению вашего смартфона в микроскоп, чем предлагает Hackteria, на Instructables есть пошаговое руководство, которое включает в себя создание стабильной сцены для телефона.Сцена стоит около 10 долларов и может увеличивать в 175-375 раз в зависимости от количества линз, которые вы добавляете. Необходимые материалы включают фанеру, оргстекло, светодиодный щелчок, линзу с лазерной указкой, а также гайки и болты.

Сделай сам микроскоп веб-камеры Hackteria.

Домашняя микроскопия Hackteria / с веб-камерой

Hackteria содержит отличное пошаговое руководство по созданию микроскопа с веб-камерой, которая включает стабильный столик для наблюдения. Поскольку веб-камеры дешевы и часто встречаются в потоках мусора, это очень доступная камера.Он состоит из трех частей: переделанная веб-камера, смотровая площадка и свет (светодиод). Материалы включают веб-камеру, картон, пенопласт, шурупы, изоленту (классический!), Горячий клей и резинки. Инструкции также понятны и на 12 языках. Они дают вам возможность дополнить его переключателями, батареями и т. Д., Но они также предоставляют самую базовую версию. В обзоре Hackteria хорошо то, что они учат вас достаточно, чтобы вы могли вводить новшества и взламывать самостоятельно.
Полное пошаговое руководство находится здесь: http: // hackteria.org / wp-content / uploads / 2013/05 / hm3-hackteria-pages.pdf

USB-микроскоп с веб-камерой от StoneTurners.

USB-микроскоп от StoneTurners

Как и Waterscope, вы можете собрать USB-микроскоп StoneTurners самостоятельно или купить комплект со всеми деталями за 15 фунтов. Они используют веб-камеру USB, поворотный контейнер, картон или МДФ, самоклеящиеся неопреновые ленты и горячий клей.

Управление самодельными микроскопами с помощью социальных сетей и видеоигр.

А затем подключите его к социальным сетям…

Компания

Pelling Lab создала 3D-печатный самодельный микроскоп с использованием веб-камеры, но особенность заключается в том, что они добавили программное обеспечение, позволяющее управлять им с помощью Twitter и Minecraft: «Вариант Twitter позволяет пользователям отправлять« твиты »прямо в микроскоп. Данные изображения, полученные с помощью микроскопа, затем возвращались пользователю через ответ в Twitter и постоянно сохранялись на платформе обмена фотографиями Flickr вместе с любыми соответствующими метаданными. Локальное управление микроскопом также было реализовано с помощью видеоигры Minecraft в ситуациях, когда подключение к Интернету отсутствует или стабильно.В мире Minecraft была построена виртуальная лаборатория, и действия игроков внутри лаборатории были связаны с определенными функциями микроскопа. Здесь мы представляем методологию и результаты этих экспериментов и обсуждаем возможные ограничения и будущие расширения этой работы ».

Столик для лазерной резки для микроскопа с веб-камерой от GMU

Если вы ищете что-то с большей полировкой и доступ к лазерному резчику, то у GMU есть инструкции и планы для микроскопа с веб-камерой с красивым корпусом, вырезанным лазером.

Сделай сам Стереоскопический микроскоп Карбони.

DIY стереографический микроскоп

Стеографический микроскоп работает иначе, чем описанные выше; образец наблюдается под двумя немного разными углами при малом увеличении, чтобы получить два немного разных изображения, которые при объединении дают трехмерное изображение. Инструмент с открытым исходным кодом, изобретенный Дж. Карбони, довольно сложен и подходит для серьезных энтузиастов микроскопии. Взламывает бинокль. Необходимые материалы включают ахроматические линзы, бинокли, дерево или ДСП, резиновые заглушки, стальные стержни, алюминиевые пластины, ручки, стальной трос и другие строительные материалы.Все инструменты гаражные: ножовка по металлу, напильники, суппорты, угольник, маркер и др.
Обновление здесь: http://www.funsci.com/fun3_en/uster3/uster3.htm

Составной микроскоп Карбони за один доллар.

Составной микроскоп стоимостью один доллар

В этом недорогом, но красивом составном микроскопе вместо взлома веб-камер и фотоаппаратов используются линзы одноразовых фотоаппаратов. Дизайн Джорджио Карбони представляет собой настоящий составной микроскоп, в котором используются две линзы вместо простого микроскопа, в котором используется только одна, и достигается увеличение примерно в 75 раз.Не огромные, и другие микроскопы на этой странице получают большее увеличение, взламывая цифровые инструменты, но это обучающий микроскоп, основанный на традиционных осциллографах, и он отлично подходит для обучения (и эстетики!).

Сделанная вручную версия микроскопа Ван Левенгока XVII века.

Микроскоп Антони ван Левенгука

Антони ван Левенгук (1632-1723) построил один из первых микроскопов. Таким образом, это был проект DIY! В приведенных здесь инструкциях (опять же Джорджио Карбони) рассказывается, как построить этот исторический инструмент.Он довольно сложен и требует пайки и резки металла (поскольку он сделан из металла!), Но преданный хакер может сделать его картонную версию.

Дополнительная литература Для хардкорщиков среди нас:

Home Made Bio Electronic Arts Сделай сам: микроскопы, датчики, сонификации — Christoph Merian Verlag / Migros-Kulturprozent: Dominik Landwehr, Verena Kuni (Ed.), 2013

Нравится:

Нравится Загрузка…

Легкий самодельный микроскоп для детей

Когда вы думаете о микроскопе, вы думаете о чем-то сложном?

Вы бы поверили, что можно сделать микроскоп с четырехкратным увеличением, используя всего три материала?

Я не думал, что можно сделать увеличительное стекло, просто используя предметы из дома, но это не только возможно, но и невероятно просто!

Совместите свой самодельный микроскоп с увеличительным стеклом для еще большего удовольствия от увеличения!

Легкий самодельный микроскоп для детей

Сделайте самодельный микроскоп за секунды с помощью этого простого проекта!

Примечание. Этот проект лучше всего работает с белым листом бумаги или поверхностью под самодельным микроскопом.

Для этого проекта вам понадобится всего несколько вещей:

Положите два карандаша параллельно друг другу. Разместите их на расстоянии равной длине слайдов, чтобы упростить задачу.

Наклейте длинный кусок ленты на два карандаша и на стол по обе стороны от карандашей, чтобы плотно удерживать ленту между двумя карандашами, как мост.

Не касайтесь липкой стороны ленты, иначе вы испортите микроскоп.

С помощью пипетки капните небольшую каплю воды на верхнюю часть ленты.

Сделайте 3-4 полосы из ленты и добавьте в каждую каплю разного размера. Это поможет определить, какой размер капли воды дает наибольшее увеличение.

Вставьте предметное стекло микроскопа под кусочки ленты и наблюдайте.

Слайд будет увеличиваться в 4 или более раз, в зависимости от размера вашей капли.

Используйте увеличительное стекло в сочетании с микроскопом для еще большего увеличения.

Объяснение науки о самодельном микроскопе

Капля воды действует аналогично хрусталику глаза. Капля воды преломляет свет и заставляет ваши глаза видеть объект больше, чем он есть на самом деле. Мы обнаружили, что более мелкие капли воды действительно могли увеличивать слайды до большего размера, чем большие капли воды. Поэкспериментируйте с каплями разного размера, чтобы найти наилучший баланс между размером изображения и четкостью.

Больше увлекательной науки для детей:

Создание микроскопа своими руками | Новости науки для студентов

Это история о том, что происходит, когда глупый ученый облажается.Это история о самодельном микроскопе и о том, как все пошло не так.

Бетани Брукшир в своем надлежащем защитном снаряжении! Перчатки и защита глаз необходимы! Брайан Белло / Science News

Я пробовал. Я действительно так и сделал. Прочитал инструкцию раз пять. Я их разгадал. Я все еще покупал не те вещи, ломал вещи и лажал. В конце концов, у нас все же получилось то, что работало. Это не сработало.Но это сработало! И это заставило меня сделать многое из того, что вы на самом деле делаете в науке: вы тратите много времени, просто пытаясь заставить свое оборудование работать. Но когда вы это сделаете, это того стоит.

Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Science News для студентов в учебной среде

Спасибо за регистрацию!

При регистрации возникла проблема.

На прошлой неделе я наткнулся на инструкцию сделать микроскоп своими руками.Всего за 10 долларов! Пришлось попробовать.

Я пошел и купил все необходимые детали. Мне помогал Грег Спроус, наш потрясающий айтишник. И, конечно же, у меня есть все необходимые средства индивидуальной защиты.

Вот идея микроскопа, изобретенного Кенджи Йошино, научным сотрудником Центра обучения естественных наук при Гриннелл-колледже. У вас есть деревянная основа, из которой торчит шуруп. На этих винтах у вас есть небольшая площадка для ваших образцов. Выше у вас есть большая сцена с линзой, снятая с лазерной указки, чтобы увеличить то, на что вы хотите смотреть.Вы кладете свой мобильный телефон на большую сцену. Все это будет выглядеть, как на рисунке 2.

Рисунок 2. Микроскоп, представленный на Instructables. Люк Сондерс

Но мой действительно выглядел совсем иначе. Дьявол кроется в деталях.

Мы начали с того, что пробовали просверлить дерево и оргстекло, чтобы вставить винты и сделать основу и предметный столик для микроскопа. В инструкции говорилось, что вы можете просверлить их все сразу. Так не вышло.Будьте осторожны с оргстеклом! Рекомендуемая толщина в инструкции составляла 0,125 дюйма. В Home Depot этого не было. У меня был выбор 0,22 дюйма или 0,009 дюйма. Я пошел с 0,009.

Неудачный выбор. Чем он тоньше, тем быстрее ломается. После небольшого проб и ошибок мы выяснили, что вы можете использовать малярную ленту там, где вы хотите просверлить, чтобы распределить часть силы, защищая оргстекло. Вы также можете нагреть кончик сверла, чтобы ему было легче проходить сквозь пластик.Если вы студент и делаете это, убедитесь, что у вас есть взрослый, чтобы помочь вам!

Но даже если вы используете малярную ленту или тепло, вы должны начать с очень маленького сверла, а затем использовать сверла все большего и большего размера, пока не получите отверстие нужного размера. Это заняло много времени. Когда я говорил с Ёшино о своих проблемах, он отметил, что «всегда следует использовать более толстое оргстекло», и упомянул, что вы всегда можете спросить в местном хозяйственном магазине, есть ли у них какие-либо лишние обрезки нужной толщины.Возможно, вам не нужно его обрезать, и вы можете получить скидку.

Несмотря на трещины, в итоге мы получили дыры! И мы не собирались позволять трещинам сдерживать нас. Следующим шагом была установка линзы.

Всегда читайте инструкции. Брайан Белло / Science News

И вот где я сделал БОЛЬШУЮ ошибку. По инструкции очень сложно сказать (по распечатке), какой кусок оргстекла удерживает линзу. Даже на окончательных фотографиях трудно сказать, где находится линза готового микроскопа, обычно потому, что над ней находится сотовый телефон.

Итак, я вставил линзу в меньшую часть. Неправильно. Это должен быть этап, на котором вы помещаете образцы. Ой. Мы смогли решить эту проблему, используя более крупный кусок оргстекла внизу в качестве сцены для образцов. Обычно предполагается, что телефон держат вверху. Но меньший кусок, куда я случайно положил линзу, все равно держал телефон! Еще не все потеряно!

Настоящей проблемой была лазерная указка и сам объектив. Сначала мне удалось найти только дорогую лазерную указку.А если у вас дорогая лазерная указка, линза полностью встроена в указку и не выходит наружу. Ой. Как сказал Йошино, когда я спросил, поездка в зоомагазин решит вашу проблему, дешевые лазерные указки отлично подходят для игры с кошками!

Однако, если у вас есть дешевый объектив для лазерной указки, у вас также могут возникнуть проблемы с фокусировкой. Этот объектив никогда не фокусировался должным образом, и в итоге мы получали лучшие снимки без него. Судя по комментариям к инструкции, эта проблема возникла не только у нас.Вам часто приходится держать образец ОЧЕНЬ близко к объективу, и разные марки лазерных указок дадут вам разные результаты.

Наконец ставим свет. Или мы пытались. Инструкции требуют наличия светодиодной лампы. Мне не удалось найти ту, что изображена на фото, поэтому я использовал налобный фонарь, который у меня уже был. Плохой выбор. Фара излучает свет с частотой, которую улавливает сотовый телефон, создавая стробоскопический эффект!

Стробоскопический эффект от фары.Обязательно проверьте в магазине, прежде чем покупать свет! Bryan Bello / Science News

Хотя стробоскоп был классным, он не помогал при заднем освещении образцов. Путем проб и ошибок мы получили новое решение. Мы использовали два телефона: один под образцом с включенным фонариком и один для фотосъемки.

Модель рабочая, второй сотовый телефон обеспечивает подсветку. Брайан Белло / Science News

У нас действительно есть пара увеличенных изображений, но ничего подобного красивым изображениям, которые получает Ёшино.

В конце концов мне стало грустно. Это не сработало, как я надеялся, и мой микроскоп не был похож на тот, что на картинке. Я очень расстроился, мы все усердно работали, а моя импровизация все испортила.

Но здесь вступает во мне ученый. Конечно, я напортачил. Я покупал не те вещи, а иногда вообще не мог найти нужные. Я сломал вещи и пропустил инструкции.

И в процессе я выучил лот .Я узнал, как я ошибся, и попросил о помощи. В следующий раз вставлю линзу правильно. Черт возьми, в следующий раз я протестирую свет, прежде чем покупать его! Я даже придумал полезные вещи, чтобы облегчить проект. При сверлении оргстекла используйте малярную ленту, чтобы защитить его, и начните с небольшого сверла. Использование сверлильного станка было бы действительно идеальным вариантом, чтобы я мог контролировать скорость сверла. Я позабочусь, чтобы я случайно не купил орехи , которые необратимо испортились.

Обнаружение этих небольших улучшений является частью науки.Я также поговорил с Ёшино о том, как улучшить свой продукт. Он дал мне отличный совет и помог устранить неполадки. Он может даже включить некоторые из моих собственных «уловок», например трюк с малярной лентой, в свое обновление к инструкциям.

Теперь я вооружен и готов к новым знаниям. И вместо того, чтобы отменить его, я попробую еще раз. Я собираюсь получить новые материалы и буду улучшать их. Не забудьте настроиться в следующий раз, когда я поговорю с Ёшино о том, почему он изобрел самодельный микроскоп, как он это сделал и какие еще изобретения у него валяются!

Power Words

линза (в физике) Прозрачный материал, который может фокусировать или рассеивать параллельные лучи света, когда они проходят через него.

светоизлучающих диодов (LED) Электронные компоненты, которые, как следует из названия, излучают свет, когда через них проходит электричество. Светодиоды очень энергоэффективны и часто могут быть очень яркими. В последнее время они заменяют обычные фары в задних фонарях автомобилей и в некоторых лампах, используемых для домашнего освещения.

микроскоп Прибор, используемый для наблюдения за объектами и деталями, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть только глазами.

Оргстекло Химический полиметилметакрилат, прозрачный пластик, устойчивый к разрушению.Его можно использовать вместо стекла.

аспирант Должность работать в университете, часто в лаборатории, для людей, только что окончивших колледж.

Создатели микроскопов

Специально разработанные микроскопы, такие как световой микроскоп IsoView, показанный здесь, позволяют исследователям выйти за пределы коммерческих систем. Фото: Рагхав Четри и Филипп Дж. Келлер

Во время получения докторской степени по биоинженерии в Пенсильванском университете в Филадельфии Уэсли Легант столкнулся с неприятным препятствием: у него были идеи, но оборудования для их реализации еще не существовало.

Проявляя интерес к механике и подвижности клеток, Легант разрабатывал инструменты для измерения сил, которые клетки оказывают на окружающую среду. Он внедрил флуоресцентные шарики в материал, окружающий растущую клетку млекопитающего, чтобы при движении клетки она деформировала материал, перемещая шарики. Измеряя, насколько перемещаются шарики, Легант мог рассчитать силы, действующие на ячейку ¹ . Тем не менее, ему было трудно получить точные данные. «Инструменты оказались успешными, но я быстро столкнулся с ограничениями доступных микроскопов», — говорит он.

Клетки медленно двигаются за счет собственной энергии — самое быстрое движение со скоростью несколько микрометров в минуту — поэтому микроскопам необходимо наблюдать за действием в течение длительного времени. А чтобы отслеживать бусинки в 3D, Леганту нужно было отобразить весь объем с высоким пространственным разрешением. Это было в конце 2000-х — начале 2010-х годов, и коммерческие микроскопы, доступные в то время — точечные сканирующие и конфокальные микроскопы с вращающимся диском — были не для этой задачи.

«У обоих этих методов на самом деле было достаточно разрешения, чтобы выполнять тот тип отслеживания, который мы хотели сделать, но они были слишком фототоксичными и слишком медленными», — говорит Легант.

Представьте себе прозрачный куб. Конфокальные микроскопы позволяют ученым захватывать каждую точку куба одну за другой и постепенно создавать трехмерное изображение. Для этого они проецируют луч света вертикально через образец, освещая столбик, проходящий через куб в каждой точке. Но каждая вспышка света генерирует активные формы кислорода, которые повреждают образец — «фототоксический» эффект, о котором говорит Легант. В то же время светоизлучающие «флуорофоры», обнаруженные микроскопом, со временем тускнеют в результате процесса, называемого фотообесцвечиванием.

В экспериментах Леганта получение каждого трехмерного изображения занимало около минуты. Затем ему пришлось подождать еще пять минут, чтобы сделать следующий снимок, чтобы дать клеткам время восстановиться между ними и, таким образом, избежать их уничтожения до того, как можно будет собрать желаемые данные. Он смог измерить силы, действующие на клетки, но не с той степенью детализации, которую он хотел.

Чтобы решить эти проблемы, Легант переключил внимание во время своих постдокторских исследований. Работая с физиком и специалистом по микроскопии Эриком Бетцигом в исследовательском кампусе Janelia при Медицинском институте Говарда Хьюза в Эшберне, штат Вирджиния, он присоединился к небольшому, но растущему сообществу любителей самостоятельной микроскопии.

Получение изображений в реальном времени

Создание микроскопов — сложная и трудоемкая задача, и для нее требуется команда с правильным сочетанием навыков для работы с множеством задействованных оптических, механических и компьютерных компонентов. Но награда может быть огромной. Новый микроскоп может продвинуть вперед науку не только в области биологии, но и в самой микроскопии.

В Janelia исследователи раздвигают границы нейробиологии и биологии развития. Это области, которые в значительной степени зависят от микроскопии и визуализации, и в институте есть множество стандартных коммерческих микроскопов.Но когда нужных им инструментов нет, они не ждут, пока их изобретут где-то еще — они строят их самостоятельно.

«Что мотивирует нашу работу в области технических разработок, так это то, что мы хотим позволить новые типы экспериментов, которые мы просто не можем проводить с существующими микроскопами», — говорит Филипп Келлер, физик из Janelia, изучающий развитие нервной системы у рыбок данио и фруктов. летит.

В середине 2000-х, работая в Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, Германия, Келлер столкнулся с проблемой, аналогичной проблеме Леганта: он хотел отслеживать все клетки в развивающемся эмбрионе рыбок данио, чтобы узнать, как они движутся и сливаются, образуя разные ткани и органы.Но большинство существующих микроскопов не могли получить изображение образца такого размера — шара из клеток около 700 микрометров в поперечнике — в течение длительного периода времени, не убивая его в результате необходимого интенсивного освещения.

Исследователи могут адаптировать индивидуальные проекты, например, на OpenSPIM.org, к различным конфигурациям. Фото: OpenSPIM / CC BY-SA 3.0

Итак, Келлер обратился к световой микроскопии — методу, который в то время только начинал применяться. Вместо того, чтобы освещать весь образец, световые микроскопы проецируют слабо сфокусированный «слой» света низкой интенсивности непосредственно в фокальную плоскость объекта, который пользователь хочет отобразить.Высококачественная камера может захватить всю фокальную плоскость за одну экспозицию, и, перемещая эту плоскость вертикально через образец, исследователи могут реконструировать весь 3D-объект.

«Световая микроскопия — это метод очень быстрой визуализации, но при этом очень щадящий», — говорит Келлер. «Нет расфокусированных структур, подверженных [воздействию] и потенциально поврежденных светом». В то время ни один из существующих микроскопов не подходил для исследований Келлера, поэтому в 2005 году он решил построить один ² .Его конструкция, названная цифровым сканированным лазерным флюоресцентным микроскопом (DSLM), могла захватывать каждую клетку в развивающемся эмбрионе рыбок данио за 90 секунд.

Не все производители микроскопов задумываются о конкретном исследовательском вопросе, когда начинают проектировать. Для Стефана Хелла, физика из Института биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене, Германия, создание новых концепций в микроскопии является самоцелью. «Это научный проект. Я делаю это ради идеи, которая подтолкнет искусство микроскопии », — говорит он.

И он очень преуспел в этом. В 2014 году Ад разделил Нобелевскую премию по химии с Уильямом Мёрнером из Стэнфордского университета в Калифорнии, а также с Бетцигом за изобретение флуоресцентной микроскопии со сверхвысоким разрешением — метода, который позволяет исследователям получать изображения биологических структур в наномасштабе.

Несмотря на то, что Ад построил и коммерциализировал несколько конструкций микроскопов, немногие биологи когда-либо должны были последовать его примеру, говорит он, особенно потому, что коммерческие производители так быстро ухватываются за новые идеи.Его собственная разработка, получившая Нобелевскую премию ³ , называемая истощением с использованием стимулированных выбросов, или STED, обошлась ему в 200 000 долларов США, чтобы построить в 1999 году. Теперь она доступна в виде кнопочной системы размером в половину коробки из-под обуви, которую можно прикрепить к любой существующей. конфокальный флуоресцентный микроскоп. По его словам, существует несколько компаний, производящих световые микроскопы.

Келлер, однако, говорит, что область световой микроскопии все еще относительно молода, и что немногочисленные коммерчески доступные системы отстают от «передовых рубежей» научных исследований на «семь-восемь лет».«Мы действительно вынуждены строить свои собственные».

Этот процесс имеет как плюсы, так и минусы. Специальная система может на годы опережать кривую с точки зрения скорости и разрешения и может быть настроена так, чтобы сосредоточиться на конкретных биологических проблемах или системах. Но это происходит за счет гибкости. В некоторых системах «сделай сам» может быть сложно сделать что-то настолько простое, как изменение увеличения. А настраиваемые системы требуют драгоценного времени и усилий для настройки и обслуживания.

Для тех, кто готов принять вызов, награда того стоит, — говорит Клэр Уотерман, клеточный биолог из Национального института сердца, легких и крови США в Бетесде, штат Мэриленд.В начале 1990-х годов Уотерман применил новую технологию камеры для разработки метода под названием флуоресцентная спекл-микроскопия ⁴ , который позволяет изучать цитоскелет и другие крупные мультипротеиновые комплексы. «Преимущество состоит в том, что вы получаете ответ, которого пока не может получить никто другой», — говорит она. «Недостаток в том, что вам придется устранять все ошибки самостоятельно. Но это весело! »

DIY guide

Независимо от того, идет ли речь о продвижении микроскопии или для ответа на конкретный биологический вопрос, процесс создания нового микроскопа во многом остается одинаковым.Келлер приобрел в этом такой опыт — «не прошло и года, чтобы мы не работали над новым микроскопом», — говорит он, — что он довел процесс до самого существенного (см. «Десять шагов к созданию самостоятельного микроскопа». ). По словам Келлера, в хорошую команду микроскопов должны входить физик или биомедицинский инженер для выполнения проекта при поддержке как минимум четырех специалистов: инженера-оптика, который должен спланировать оптическую схему; инженер-механик, чтобы выяснить, как все детали сочетаются друг с другом; разработчик программного обеспечения для программирования машины; и ученый-компьютерщик для преобразования необработанных данных в пригодные для использования изображения.

Десять шагов до микроскопа своими руками

Создание микроскопа сложно, но Филипп Келлер, физик из исследовательского кампуса Janelia при Медицинском институте Говарда Хьюза в Эшберне, штат Вирджиния, сократил этот процесс до десяти этапов:

• Проведите мозговой штурм по инструменту.

• Спланируйте и протестируйте оптическую конструкцию.

• Используйте программное обеспечение для автоматизированного проектирования для конструирования корпуса и нестандартных деталей.

• Заказ деталей и изготовление механических и оптических компонентов по индивидуальному заказу.

• Заимствуйте компоненты для проверки их производительности и простоты интеграции.

• Соберите прототип.

• Закодируйте программное обеспечение для управления микроскопом.

• Уточняйте пользовательские компоненты на основе производительности.

• Проведите эксперимент по проверке принципа действия.

• Разработка и усовершенствование программного обеспечения для обработки изображений.

Брайан Оуэнс

Первый шаг — оптическая конструкция. Используя специализированное программное обеспечение — Келлер и Легант используют OpticStudio, доступный от Zemax в Киркленде, Вашингтон, — инженер-оптик работает в виртуальном пространстве, чтобы определить правильное расположение лазеров, линз, зеркал и других оптических компонентов, которые обеспечат требуемое разрешение и характеристики.

Затем инженер-механик решает, как все эти части на самом деле будут соответствовать друг другу в реальном мире, как физические части, прикрепленные болтами к оптическому столу. «На данный момент это просто связка линз в линию, парящую в пространстве», — говорит Брайан Куп, инженер-механик, который работает в Janelia с Келлер. «Это моя задача — заставить его стоять на собственных ногах».

Самая большая проблема на данном этапе — это работа в чрезвычайно жестких физических ограничениях на работу, — говорит Куп. Когда микроскоп должен сфокусироваться на вещах размером всего в несколько микрометров или даже нанометров, остается мало места для ошибки.Линзы, зеркала и лазеры необходимо удерживать в точном выравнивании для получения полезных, сфокусированных изображений, и Купу необходимо учитывать, как крошечные изменения, такие как тепловое расширение металлов, могут нарушить выравнивание. «Уделяя внимание точности оптической юстировки, все последующее становится проще», — говорит Куп.

Куп собирает как можно большую часть микроскопа, используя стандартные детали или повторно используя детали из предыдущих сборок. Но в каждом микроскопе есть по крайней мере несколько деталей, изготовленных на заказ, которые Куп должен спроектировать, а иногда и изготовить сам в машинной мастерской Джанелии.

Камера для образца в новейшем микроскопе Келлера, например, имеет отверстия для размещения четырех линз объектива, которые погружаются в среду, в которую был погружен образец. Для микроскопа требуются уплотнения, предотвращающие утечку, но также позволяющие линзам двигаться независимо. А поскольку объективы расположены так близко друг к другу, с зазором всего 100 микрометров, и все они имеют разные размеры и формы, Coop необходимо адаптировать камеры и уплотнения для соответствия каждой возможной комбинации.По его оценке, проектирование и изготовление каждой камеры занимает от двух до трех дней и стоит от 800 до 1000 долларов США.

После того, как инженеры-оптики и механики соберут прототип, разработчик программного обеспечения и ученый-информатик приступают к работе, чтобы убедиться, что части работают вместе должным образом и будут создавать пригодные для использования изображения. Многие производители микроскопов используют коммерческий пакет программного обеспечения под названием LabVIEW для управления своими микроскопами, но когда машины становятся более продвинутыми, иногда требуется специальное решение, — говорит Дэниел Милки, программист в Janelia.

«Мы разрабатываем новые инструменты и новые типы микроскопов, которые раздвигают границы возможностей оборудования, поэтому вам необходимо иметь программное обеспечение, предназначенное для этого, чтобы получить максимальную производительность», — говорит он. Хитрость заключается в том, чтобы программное обеспечение было достаточно гибким, чтобы его можно было быстро адаптировать к новым требованиям, таким как большее количество детекторов. Таким образом, Milkie сделала код модульным, что означает, что новые элементы легко интегрировать, не начиная с нуля.

Но самая большая проблема со стороны программного обеспечения, по словам Милки, — это решить, как работать с огромными объемами данных, которые генерируют микроскопы.Высокоскоростные камеры могут передавать гигабайт данных в секунду, а на некоторых машинах одновременно работает несколько камер. По словам Милки, одна только лаборатория Бетцига может генерировать 50–100 терабайт данных в год. «Мы создали этот пожарный шланг, так куда он денется?» он говорит.

Готовый продукт не похож на обычный микроскоп. Все детали — зеркала, линзы, лазеры, камеры и камеры для образцов — прикреплены к различным стойкам и зажимам на столе весом в несколько тонн и предназначены для защиты микроскопа от вибраций.«Это как сложный конструктор Lego», — говорит Легант.

По оценке Келлера, создание микроскопа с нуля занимает не менее года, хотя его можно сократить, если команда сможет утилизировать детали и программное обеспечение из прибора более раннего поколения. А поскольку дизайн требует все более сложной настройки, разработка становится все дороже. Строительство DSLM Келлера в 2005 году стоило около 50 000 долларов, тогда как более поздние машины стоили 100 000–200 000 долларов. Его последняя сборка в 2015 году — изотропный многовидовой микроскоп ⁵ — стоила более 1 миллиона долларов.«Я не думаю, что мы когда-нибудь снова увидим те дни, когда мы построим микроскоп за 50 000 долларов и скажем, что это улучшение по сравнению с современным уровнем техники», — говорит Келлер.

Соображения по индивидуальному заказу

Специализированные машины также требуют немного большего изящества в использовании, потому что они часто включают существенную настройку и калибровку для каждого эксперимента — своего рода практическую настройку со стороны пользователя, которой коммерческие производители стараются избегать. Но Уотерман говорит, что это не должно быть препятствием. «Это основы, которым вы должны научиться в базовом курсе микроскопии», — говорит она.

Опубликованные исследования новых систем микроскопии часто включают планы и списки деталей. Для тех, кто хочет немного поработать, Janelia предоставляет чертежи и программное обеспечение для своих микроскопов в свободный доступ в Интернете и оказывает помощь в процессе строительства. «Есть около 20 часов видеоуроков о том, как все собрать и выровнять, — говорит Легант. Есть и другие источники опыта. Такие сайты, как diSPIM.org, принадлежат биофизику Хари Шроффу из Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии США в секции оптических изображений высокого разрешения в Бетесде, штат Мэриленд, OpenSPIM.org, начавшаяся в лаборатории биологии развития Павла Томанчака в Институте молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка в Дрездене, Германия, и OpenSpinMicroscopy, возглавляемая Эмилио Гуальда из Института фотонных наук в Барселоне, Испания. конфигурации световых микроскопов бесплатно.

Но хотя построить микроскоп из существующих чертежей проще, чем проектировать его с нуля, для этого по-прежнему требуются знания в оптике, механике, электронике, компьютерном программировании и биологии.По словам Гуальды, большим преимуществом является цена. Коммерческие версии микроскопа с селективным освещением, предлагаемые OpenSpinMicroscopy, стоят около 200000 долларов. По оценкам Гуальды, используя свое программное обеспечение с открытым исходным кодом и недорогое оборудование, такое как контроллеры Arduino, исследователи могут построить высококачественную машину примерно за четверть этой цены, причем основная часть затрат приходится на лазер и камеру. «И вы можете настроить его под свои нужды», — добавляет Гуалда.

Есть также онлайн-форумы, где пользователи могут получить совет и торговые советы.По словам Сригокула Упадхьяюлы, молекулярного биолога из Гарвардской медицинской школы в Бостоне, штат Массачусетс, который работал вместе с Легантом над созданием первых решетчатых световых микроскопов в 2014 году в Джанелии, такое сотрудничество представляет собой большое изменение в том, как обычно работают эти ученые. «Редко можно увидеть в таком сообществе — все были изолированы».

Что касается Леганта, он сейчас готовится открыть свою собственную лабораторию в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. Эта должность позволит ему продолжить работу как в области клеточной биологии, так и в области дизайна микроскопов.Одним из его первых проектов будет пересмотр вопроса о том, как движутся клетки. «Мы решили техническую проблему с помощью нашей последней системы — у нас просто не было возможности применить ее к этому конкретному вопросу», — говорит он. Теперь, когда он создал инструменты, необходимые для выполнения работы, Легант, наконец, может получить ответы, за которыми гнался годами.

Как DIY-технологии демократизируют науку

Аппаратное обеспечение

DIY, такое как этот напечатанный на 3D-принтере флуоресцентный микроскоп, позволяет проводить передовые исследования и диагностику в областях с ограниченными ресурсами.Предоставлено: Стюарт Робинсон / Univ. Сассекс

Глаза нацелены на клетки под микроскопом, Густаво Батиста Менезес думал не только о науке.

Менезес использовал специализированный конфокальный микроскоп в Университете Калгари, Канада, который стоил почти миллион долларов, и он понятия не имел, как он сможет себе его позволить, когда вернулся домой в Бразилию, чтобы открыть свою собственную лабораторию. «Практически невозможно получить такую ​​сумму в странах с низким доходом», — говорит Менезес. Итак, когда он получил должность в 2009 году в Федеральном университете Минас-Жерайс в Белу-Оризонти, он решил не покупать модный коммерческий инструмент; он подстроил свое собственное.

Менезес использует микроскопию для визуализации клеток живых мышей. Модификация существующих микроскопов для получения таких «прижизненных» изображений обычно стоит 5 000–10 000 долларов США. Но Менезеш нашел более дешевый способ: он объединил средства с коллегами и купил дешевый конфокальный микроскоп с голыми костями, столик из оргстекла за 1 доллар и инфракрасную лампу за 2 доллара в местном хозяйственном магазине. «Через двенадцать минут после того, как микроскоп был установлен в моей лаборатории, — говорит он, — были получены первые изображения in vivo. В дальнейшем он генерировал изображения, которые были достаточно хороши, чтобы дважды попасть на обложку журнала Hepatology .

«Идея о том, что ученые создают свое собственное оборудование, стара как наука», — говорит Том Баден, нейробиолог из Университета Сассекса недалеко от Брайтона, Великобритания, который является соучредителем некоммерческой организации, известной как Teaching and Research in Natural Науки для развития (TReND) в Африке, которая, среди прочего, обеспечивает обучение в области аппаратного обеспечения открытых наук. Новым является онлайн-доступность огромного количества бесплатных проектов с открытым исходным кодом и растущая легкость их создания с использованием 3D-принтеров и любительской электроники, такой как Arduino и Raspberry Pi.В сочетании с реагентами с открытым исходным кодом эти ресурсы делают расширенную диагностику доступной даже в регионах с ограниченными ресурсами, где не хватает обученных технических специалистов, холодного хранения и надежного источника питания.

Создание собственных приборов и синтез собственных реагентов может занять много времени и трудозатрат. Из него можно получить более сложные и менее надежные материалы, чем коммерческие альтернативы. И вы предоставлены сами себе, когда дело доходит до технической поддержки. Тем не менее, для тех, кто хочет выстоять, результат может иметь решающее значение.Менезеш поделился своим недорогим дизайном ¹ с лабораториями по всей Бразилии, в том числе в некоторых из беднейших частей страны, где, по его словам, профессора никогда раньше не использовали конфокальный микроскоп. «Эти технологии должны быть доступны каждому человеку, который хочет проводить исследования», — говорит он.

Демократизация науки

Для некоторых исследователей привлекательность самостоятельных исследований — это самоделки: создание и обслуживание индивидуального оборудования — это инженерная и техническая задача.Но для других это финансовый вопрос. Самодельное оборудование, как правило, значительно дешевле и, следовательно, более доступно, чем коммерческие альтернативы.

Томас Мбоа, основатель MboaLab, совместного пространства, которое обеспечивает обучение и ресурсы для открытой науки в Яунде, Камерун, вспоминает, что ему не удалось даже прикоснуться к микроскопу, когда он изучал молекулярную биологию в Университете Яунде I. «У меня были только теоретические знания, и они объяснили нам, что оборудование очень дорогое», — говорит он.«Открытая наука и биология своими руками могут исправить технологический разрыв, с которым мы сталкиваемся в Африке».

Используя свободно доступные конструкции, исследователи могут создавать все, от пипеток и инкубаторов до машин для полимеразной цепной реакции (ПЦР) для амплификации ДНК. Джошуа Пирс, инженер-материаловед из Мичиганского технологического университета в Хоутоне, написавший книгу о создании оборудования с открытым исходным кодом в науке, оценивает, что он сэкономил сотни тысяч долларов, создав собственное лабораторное оборудование.«Мы больше ничего не покупаем, — говорит он. Аппаратное обеспечение, созданное на основе проектов с открытым исходным кодом, обычно стоит всего 1–10% от стоимости коммерческих аналогов, говорит Пирс, и он курировал многие проекты на своем веб-сайте Open-Source Lab.

«Аппаратное обеспечение — это последний барьер, который нам необходимо преодолеть, прежде чем наука станет действительно более доступной», — говорит исследователь биоинженерии Сассекского университета Андре Майя Шагас. Шагас создал базу данных под названием Open Neuroscience, которую люди могут использовать для обмена своими проектами, и он дает советы TReND в Африке.По его словам, открытое оборудование может помочь демократизировать исследования в таких странах, как Индия, Бразилия и по всей Африке. «Теперь группы во всех этих странах могут сами создавать вещи и играть на одном и том же поле», — говорит он.

Фернан Федеричи — тому пример. Вместо того, чтобы покупать стандартный флуоресцентный микроскоп за 25000 долларов или больше, Федеричи, молекулярный биолог из Католического университета Чили в Сантьяго, напечатал на 3D-принтере свой собственный всего за 250 долларов. Он не может делать все, что умеет брендовый инструмент, но он делает достаточно.«Нам требовалось специальное приложение — получение временных флуоресцентных снимков роста бактерий — и мы могли сделать это с помощью открытого оборудования», — говорит он.

человек принимают участие в открытом курсе лабораторного программного обеспечения TReND 2018 в Кейптауне, Южная Африка Фото: Агнешка Покривка

Еще одно преимущество оборудования DIY — возможность настройки. Например, микроскоп OpenFlexure ² для 3D-печати «был разработан для лабораторий в Великобритании, которые в настоящее время покупают дорогой коммерческий микроскоп, а затем используют долото для настройки оптики», — говорит Ричард Боуман, физик из Института физико-математических наук. Университет Бата, Великобритания, который начал проект.Полностью автоматизированный лабораторный микроскоп OpenFlexure с цифровой камерой, моторизованным предметным столиком и регулятором фокусировки может стоить всего 200 фунтов стерлингов (262 доллара США). Исследователи адаптировали базовую конструкцию с оптикой и лазерами, подходящими для таких приложений, как микроскопия сверхвысокого разрешения, но низкая стоимость и требования к питанию, а также удобная портативность микроскопа также сделали его бесценным в бедных ресурсами регионах Танзании, где он находится. используется для диагностики малярии.

Создание собственного оборудования означает отказ от гарантии и технической поддержки, если что-то сломается.Но на самом деле это может быть преимуществом. Менезес говорит, что обычно ему лучше ремонтировать собственное оборудование: контракты на техническое обслуживание дороги, а появление специалиста может занять месяцы. Точно так же, говорит Боуман, «создавая микроскоп OpenFlexure в Танзании, мы гарантируем, что когда он сломается, найдется кто-нибудь из местных, кто сможет его починить».

Реагенты для дома

Дженни Моллой, биотехнолог из Кембриджского университета, Великобритания, работает над устранением еще одного финансового препятствия для исследований.Признавая, что реагенты часто представляют собой серьезное препятствие для молекулярно-биологических исследований в регионах с ограниченными ресурсами, Моллой основал Open Bioeconomy Lab, междисциплинарную группу, которая разрабатывает инструменты с открытым исходным кодом для биотехнологии. С 2017 года она собрала 84 фермента с открытым исходным кодом и 45 репортерных генов, включая полимеразы, лигазы, обратные транскриптазы, рестрикционные ферменты и флуоресцентные белки, в Коллекции открытых ферментов. «По нашим оценкам, вы можете сэкономить не менее 80–90% стоимости фермента, производя свой собственный», — говорит она.

Исследователи могут заказать реактивы исследовательского уровня из Открытой коллекции ферментов из онлайн-каталога FreeGenes в качестве компонентов ДНК для клонирования в векторы экспрессии и экспрессии в бактериях для производства собственных ферментов. В настоящее время Моллой разрабатывает плазмиды, готовые к экспрессии, которые она может распространять через некоммерческий репозиторий Addgene. Она также работает с Mboa над производством и продажей недорогих готовых к использованию ферментов в Камеруне через некоммерческое предприятие Beneficial Bio в Яунде, а на стадии планирования сотрудничает с другими странами.

Во многих случаях, по словам Моллоя, Open Enzyme Collection обеспечивает доступ к более качественным реагентам, чем в противном случае могли бы позволить исследователи. Например, фермент Taq-полимераза — популярный выбор для ПЦР не потому, что он обязательно лучший, а потому, что он недорогой, — говорит она. «Нашим ключевым ферментом на данный момент является OpenVent, он намного более термостабилен и надежен, чем Taq, и имеет в пять раз более высокую точность».

Тем не менее, лаборатории, которые выбирают самодельные реактивы, должны быть готовы к экспрессии, очистке и тестированию собственных ферментов.Моллой, который провел курсы по производству открытых ферментов в Гане и Эфиопии, а также другие курсы, запланированные в Африке и Южной Америке, говорит, что Open Bioeconomy Lab может предоставить простые в использовании протоколы для тестирования активности и чистоты ферментов. И группа разрабатывает биореактор с открытым исходным кодом для выращивания клеток, вырабатывающих желаемые ферменты. Однако, по ее словам, «если вы не эксперт по белкам, обязательно обратитесь к другим биологам, которые могут вам помочь».

Доступная диагностика

Реагенты «Сделай сам» также могут снизить стоимость некоторых молекулярных диагностик, и Моллой разработал ряд ферментов, которые можно было бы применять в здравоохранении в регионах с ограниченными ресурсами.Тем не менее, по ее словам, самостоятельная диагностика требует особого внимания. Устройства и реагенты должны соответствовать более высоким стандартам и строгим нормам, а также быть более надежными и простыми в использовании в медицинских учреждениях.

Чтобы использовать микроскоп OpenFlexure для диагностики малярии в Танзании, например, Боумену пришлось взять свободно разбросанные электронные платы и кабели из своей лаборатории и представить их в удобной для пользователя упаковке. «Переход от того, что работает в моей лаборатории, где мы привыкли иметь дело с таким голым оборудованием, к тому, что не пугает технических специалистов-паразитологов, — это довольно большой шаг», — говорит он.

То же самое можно сказать и о молекулярных анализах, — говорит Дебоджьоти Чакраборти, возглавляющая группу по РНК-биологии в Институте геномики и интегративной биологии в Нью-Дели. Чакраборти и его коллега Сувик Маити разработали дешевый портативный тест с бумажными полосками для выявления носителей серповидно-клеточной анемии в сельских районах Индии. «Все должно быть просто; они должны быть крепкими; и они должны быть воспроизводимыми », — говорит он. Понимая, что взятие образцов крови у маленьких детей потребует немалого количества уговоров, например, пара разработала протоколы использования ДНК из слюны.

Бумажные тесты на COVID-19, разработанные CSIR-Институтом геномики и интегративной биологии (IGIB), представлены в лаборатории IGIB в Нью-Дели Фото: Money Sharma / AFP / Getty

Эта адаптивность помогла исследователям быстро перепрофилировать свою диагностику для тестирования на SARS-CoV-2 в начале 2020 года. Полученный в результате анализ ^{3 , 4} , как ожидается, будет стоить всего 600 рупий (8 долларов США) и может быть выполнен в любой лаборатории с обычным ПЦР-аппаратом, по сравнению с 2500–4000 рупий для типичного расширенного теста, с которым могут справиться только специализированные институты.

Точно так же, когда Навьот Каур, аспирантка Индийского института науки в Бангалоре, разработала недорогой диагностический тест ⁵ для диагностики туберкулеза, она знала, что он должен быть доступен для удаленных деревень, которые не хватало обученных техников, не говоря уже о надежной мощности. Поэтому она отказалась от термоциклирования ПЦР в пользу альтернативы, которая работает при постоянной температуре, и работает над повышением стабильности теста в отсутствие холодильников и морозильников.«Только когда вы идете в поле, вы понимаете все эти мелочи, которые могут полностью убить вашу причудливую технологию», — говорит она.

При таком большом количестве технологий, которые теперь легко доступны, самым большим препятствием для более широкого внедрения устройств DIY может быть психологическое значение. «Часто бытует мнение, что наука должна быть очень изысканной, — говорит Люсия Прието-Годино из Института Фрэнсиса Крика в Лондоне. Она пытается развеять это мнение на семинарах по открытому оборудованию, проводимых TReND в Африке, которые она основала вместе с Баденом и Садиком Юсуфом, хотя она признает, что проекты DIY могут быть пугающими для непосвященных.

Начните с малого и с того, что действительно нужно лаборатории, советует Шагас. Аппаратные конструкции с открытым исходным кодом доступны в Интернете в обмене 3D-печатью Национального института здравоохранения США и в Публичной научной библиотеке с открытым исходным кодом.

Также легко доступна помощь, будь то онлайн на таких сайтах, как Gathering for Open Science Hardware (GOSH) и Africa Open Science and Hardware network (AfricaOSH), через инженерный отдел вашего университета или в местных сообществах открытого оборудования, таких как Makerspaces и FabLabs.По словам Федеричи, такие ресурсы могут быстро восполнить пробелы в навыках и знаниях. «Мы можем собрать устройство, которое помогает нам проводить исследования флуоресценции, не будучи экспертом по любой из этих тем, таких как флуоресценция, инженерия или электроника», — говорит он.

3D-революция

Для многих проектов требуется 3D-печать, которая изменила науку DIY. «Тот факт, что если вы можете мечтать о чем-либо, вы идете в свой гараж, а затем начинаете распечатывать это, это очень вдохновляет», — говорит Джефиас Гвамури, директор по исследованиям и инновациям Университета Великого Зимбабве в Масвинго.Он использовал 3D-принтеры для печати недорогих масок для лица, средств индивидуальной защиты и деталей вентиляторов во время пандемии COVID-19.

Приличные 3D-принтеры теперь доступны всего за 250 долларов и обычно поставляются в собранном виде. Однако, как и в случае с инструментами ПЦР, ограниченный доступ к 3D-принтерам и отсутствие надежного электричества для их работы остаются препятствиями для науки DIY.

Gwamuri пытается решить проблему с питанием, создавая 3D-принтеры на солнечной энергии, которые достаточно малы, чтобы поместиться в спортивную сумку для транспортировки на удаленные объекты.Он и Пирс также работали над снижением стоимости нити накала, используемой в 3D-принтерах. Коммерческая нить накала стоит 20 долларов за килограмм, но Гвамури нашел способ производить нить из переработанных пластиковых отходов, который стоит всего 1–4 доллара за килограмм, говорит он.

Исследователи также могут сократить расходы, переработав лабораторное оборудование, например, от старых или сломанных микроскопов. «Наиболее вероятным компонентом, который можно будет использовать повторно, является линза объектива, которая также является одной из самых дорогих и труднодоступных деталей», — говорит Боуман.Менезес построил свой собственный гелевый имидж-сканер за 5 долларов — устройство, которое обычно стоит 3000–5000 долларов — из ультрафиолетового осветителя, который он выудил из мусора, и черного плексигласа с отверстием для камеры телефона.

Такая экономия может увеличить ограниченный бюджет, но домашнее оборудование бесполезно, если оно не может генерировать надежные, воспроизводимые данные. «Причина, по которой мы используем камеру Raspberry Pi, — это известное количество», — говорит Боуман. «Также можно было бы повторно использовать дешевую веб-камеру, но каждая веб-камера немного отличается, поэтому вы теряете единообразие.

«Это одна из проблем, с которыми я сталкиваюсь, когда открытое оборудование становится все более популярным в исследованиях, потому что качество оборудования влияет на получаемые данные», — говорит Виктор Кумбол, научный сотрудник Центра нейробиологии им. Эйнштейна в Берлине. построил собственное устройство для количественной оценки активности животных во время магистерских исследований в Научно-техническом университете им. Кваме Нкрумы в Кумаси, Гана ⁶ .

Ищите проекты, которые были опубликованы в рецензируемых журналах, таких как HardwareX , где Кумбол опубликовал свой проект, или Journal of Open Hardware .И подбирайте устройства с хорошей документацией для изготовления, калибровки и обслуживания. Например, за последние несколько месяцев Bowman добавил в программное обеспечение микроскопа OpenFlexure инструмент, который помогает пользователям выполнить основные этапы калибровки.

Иногда, однако, делать своими руками просто не лучший вариант. «Вам необходимо знать, насколько точным должен быть ваш инструмент для выполнения конкретной задачи», — говорит Баден. Например, лаборатория, проводящая передовые исследования в области молекулярной биологии, вероятно, не захочет экономить на пипетках за счет точности, — говорит он.Но можно было бы сбалансировать затраты и точность, купив точно откалиброванные коммерческие пипетки для работы с парой микролитров и используя менее точные напечатанные на 3D-принтере пипетки для больших объемов.

Лабораториям придется искать компромиссы в соответствии со своими исследовательскими приоритетами, опытом и бюджетом. Но по мере того, как увеличивается доступность и изощренность оборудования для самостоятельной сборки, растет и его распространение. «Это откроет много интересных возможностей», — говорит Шагас.

Изобретатель микроскопа своими руками стремится донести науку до людей

Почти полмиллиона человек ознакомились с инструкциями Кенджи Ёшино по созданию микроскопа.Используя только смартфон, лазерную указку и несколько кусочков пластика и дерева, Йошино может построить микроскоп, который может увеличивать предметы до 325 раз, всего за 10 долларов. Вы можете увидеть отдельные кристаллы соли, клетки растений и многое, многое другое. Хотя мое собственное представление о микроскопе, сделанном самим, не соответствовало мне, я прекрасно провел время, поговорив об этом с Ёшино.

Ёшино страстно любит нести науку людям. В настоящее время он работает ассистентом со степенью бакалавра в Научно-учебном центре Гринелл-колледжа в Айове.Он начал местные программы, такие как «Попробуйте это дома», где дети 8–12 лет могут научиться заниматься наукой с продуктами из продуктового или хозяйственного магазина. И он не новичок в DIY-проектах. Однажды он сделал из пары лыж лук и стрелы!

Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Science News для студентов в учебной среде

Спасибо за регистрацию!

При регистрации возникла проблема.

Этот предыдущий опыт пригодился, когда он сделал свой теперь уже знаменитый DIY-микроскоп. Но он не собирался создавать микроскоп. Он нашел в Интернете инструкции о том, как использовать линзу внутри лазерной указки, прикрепленной к линзе камеры смартфона, для создания увеличительного стекла.

Сам попробовал, и все заработало! Но были проблемы. Линза плотно прилегала к телефону, загораживая свет для предметов, на которые он пытался смотреть. Вскоре он расставлял настольные лампы, пытаясь лучше рассмотреть.Ему также было трудно удерживать телефон достаточно устойчиво одной рукой. Он поставил его на стол, но затем у него возникли проблемы с фокусировкой.

Итак, Ёшино составил список проблем, которые ему нужно было решить: фокусировка, свет и поддержание устойчивости телефона. Затем он составил список решений, которые он придумал. «А потом, — говорит он, — я понял, что разрабатываю микроскоп».

И вот что он построил. По мере продвижения Ёшино проект приобрел новый дух. Он хотел сделать это дешево.В настоящее время он работает со студентами колледжа, но любит работать со студентами младшего возраста. По его словам, студенты колледжей «решили, нравится им наука или нет». Но с младшими школьниками «вы можете подарить им момент эврики, вы можете показать им, как наука объясняет мир, в котором они живут. Если вы можете заставить учащихся увидеть применение науки в своей жизни, они станут более вовлеченными в свою жизнь». образование.» Сделав свой микроскоп как можно более дешевым, он надеется разместить его в как можно большем количестве классных комнат, чтобы помочь большему количеству студентов найти момент эврики.

Пока вроде работает! Его обучающее видео стало вирусным и даже стало популярным в группах в других странах. Многие учителя связались с ним напрямую по поводу микроскопа, а многие другие высказали комментарии о том, как улучшить конструкцию. Одноклассник Ёшино подал заявку на получение гранта на изготовление микроскопов для местного музея науки. Ёшино будет просить больше денег, чтобы улучшить свой дизайн.

Его микроскоп еще далек от завершения.«Я хотел бы добавить револьверную головку объектива, чтобы вы могли вращать разные линзы для изменения увеличения, не перемещая камеру или образец», — говорит он. «Еще я хотел бы сделать свет регулируемым. Иногда бывает слишком ярко ». Он также хотел бы стать партнером программы утилизации мобильных телефонов, чтобы люди, у которых может не быть доступа к смартфонам, могли получить телефон для использования в проекте. Если повезет, самодельный микроскоп поможет людям во всем мире найти моменты эврики.

Power Words

линза (в физике) Прозрачный материал, который может фокусировать или рассеивать параллельные лучи света, когда они проходят через него.