Când cineva mă întreabă la ce proiect lucrăm, răspund concis: dezvoltăm software pentru microscoape electronice. De cele mai multe ori răspunsul meu este urmat de o pauză în care ei încearcă să-și evoce amintirile din laboratorul de biologie din clasa a șaptea: "Oare se conectau microscoapele la priză?". Microscoapele tradiționale pe care le cunoaștem cu toții sunt suficiente pentru a examina obiecte foarte mici din jurul nostru, dar dacă vrem să descoperim viața la scară de nanometri, unde nici particulele de lumină nu sunt destul de mici ca să pătrundă, unde nu există culoare, atunci avem nevoie de un instrument de 2000 de ori mai puternic: un microscop electronic.
Ca să înțelegem ce este un microscop electronic, să tragem o paralelă cu conceptele de funcționare a microscopului tradițional cu lumină: lumina vizibilă se reflectă de pe suprafața obiectului observat, trece printr-un sistem de lentile de sticlă care focalizează razele și în final produc o imagine foarte mărită a mostrei observate.
Conform legii difracției lui Abbe (Silfies, Schwartz, & Davidson, n.d.), lumina sau o altă radiație ce se reflectă de pe obiect, trebuie să aibă o lungime de undă mai mare decât obiectul observat pentru a crea imaginea. În cazul luminii, această limită este de aproximativ 400 de nanometri, cam 200 de ori mai mic decât lățimea unui fir de păr, iar obiectele mai mici nu se mai pot vizualiza.
Totuși lumea din jurul nostru este compusă din obiecte mult mai mici decât 400 de nanometri. În Figura 1 putem vedea mărimea acestor organisme și molecule mici, cât și capabilitățile de a le vizualiza cu ajutorul celor două tipuri de microscoape. Microscoapele electronice au un avantaj evident, permițând observarea virusurilor, a proteinelor, și la extrem, vizualizarea celor mai mici unități constructive a materiei: structura atomică.
Figura 1 - Dimensiunile celulelor pe o scară logaritmică, indicând gama obiectelor vizibile cu microscopul cu lumină, respectiv microscopul electronic
Potrivit limitării menționate mai sus, pentru a descoperi lumea la această scală nano, mostra trebuie iluminată cu o radiație a cărei lungime de undă este mult mai mică decât cea a luminii vizibile. Din spectrul electromagnetic găsim multe tipuri de radiații care satisfac acest criteriu, dar nu se potrivesc din alte motive, cum ar fi deteriorarea mostrei iluminate, dificultatea de focalizare sau penetrarea slabă.
Electronul este o particulă subatomică, care prezintă simultan și proprietăți ondulătorii. Lungimea de undă al electronului fiind de doar 0.002 nanometri, este mult mai mică decât cea a luminii vizibile. Construcția unui microscop care folosește electroni în loc de lumina vizibilă pentru a ilumina mostra, deși mult mai complexă, este similară cu cea a microscopului tradițional cu lumina vizibilă:
Sursa de electroni de înaltă tensiune (5-200KV) generează un flux de electroni și îi accelerează aproape de viteza luminii. Electronii traversează coloana microscopului în vid complet creat de mai multe sisteme complexe de pompe. În loc de lentilele de sticlă, electronii sunt controlați și focalizați de o serie de bobine electromagnetice, formând un fascicul îngust și monocromatic pe obiectul observat. Fasciculul de electroni este afectat de interacțiunile mostrei cu electronii care se reflectă sau pătrund prin obiect, iar aceste interacțiuni sunt înregistrate de diferite camere și detectori. Aceștia produc în final nu doar imagini, dar și capturi 3D, tomografie, analize complexe a materialelor etc.
Deoarece electronii ionizați și vidul deteriorează obiectele observate, mostrele trebuie preparate în mod special prin fixare și deshidratare, apoi observate la temperaturi joase de -160°C. Această tehnică numită Cryo-EM permite vizualizarea structurii exterioare și interioare a materialelor organice la detalii foarte mici, revoluționând analiza celulelor, virusurilor și proteinelor la nivel molecular. Pentru dezvoltarea acestei tehnici, în 2017 cercetătorii implicați, Jacques Dubochet, Joachim Frank si Richard Henderson, au fost decernați cu premiul Nobel în chimie (nobelprize.org, 2017).
Microscopul prezentat mult simplificat mai sus este fascinant, dar cum schimbăm lumea cu el? Microscopul, simbolul universal al științei, a cărui inventare în secolul al XVI-lea a fost una dintre cele mai semnificative descoperiri științifice, care a condus la dezvăluirea universului microorganismelor, generând revoluția înțelegerii cauzelor multor boli.
Dar comunității medicale i-a trebuit mult timp să realizeze legătura dintre microorganisme și diverse maladii și afecțiuni. Sugestiv este cazul medicului maghiar, Ignác Semmelweiss, care, în secolul al XIX-lea, a presupus că astfel de microorganisme sunt cauza deceselor în clinicile de maternitate. Propunerea lui de a introduce spălarea de mâini în aceste clinici, care a dus la salvarea multor vieți, a fost întâmpinată cu scepticism, fiind respinsă mulți ani.
Figura 2 - Protein spicular SARS-CoV-2 (COVID-19)
În domeniul microbiologiei și a medicinei, microscoapele moderne sunt folosite zi cu zi pentru a studia structura celulelor și microorganismelor în laboratoare, spitale și universități. Cel mai popular caz studiat recent a fost virusul SARS-CoV-2, care mai este numit și coronavirus datorită spiculilor ce acoperă suprafața lui, ca o coroană. Aceste prelungiri sunt proteine spiculare cu care virusul se atașează și infectează celulele umane. Microscoapele dezvoltate de noi au fost folosite în multe centre de dezvoltare din lume pentru a mapa aceste proteine ale virusului (Figură 2), (Inside the Lab That Invented the COVID-19 Vaccine, 2020). Observând structura interioară a proteinei, cercetătorii au creat vaccinul COVID-19, prin replicarea doar a spiculei, și nu a virusului în sine, care este îndeajuns sistemului nostru imunitar pentru a crea anticorpi în lupta împotriva virusului.
Bineînțeles microscoapele se folosesc și în alte domenii științifice și industriale moderne: de la avionică și chimie la electronică și energie, unde se folosesc în dezvoltare, control de calitate, analiză de defecte etc. Multe invenții în domeniul semiconductoarelor și a microcipurilor ce se folosesc în aproape toate electronicele au fost posibile cu ajutorul microscoapelor.
Când vorbim de realizări mărețe, la care au contribuit mii de oameni de-a lungul deceniilor, e greu să ne însușim rezultatul; contribuția noastră e doar o mică parte din ceva mult mai mare decât noi. E important să facem un pas înapoi și să privim imaginea în ansamblu, să conștientizăm scopul final al eforturilor noastre.
Proiectăm microscoape electronice. În fabrica din Olanda sau din Cehia, un muncitor calificat asamblează unul în aproximativ 6-12 luni, în funcție de model: nanotehnologie de ultimă generație împachetată într-o cutie elegantă de 4 metri înălțime, 2 metri lățime și o masă de câteva tone, la un preț de 5 milioane de dolari.
Sistemele complexe și interacțiunile lor sunt controlate de software la fel de complex ca și hardware-ul din cutie. La nivelele joase, FPGA-uri și circuite embedded operează componentele precum pompele de vid, motoarele, capturarea de imagini, sursa de electroni sau încărcarea mostrei.
La nivele mai înalte se desfășoară integrarea componentelor și automatizarea funcțiilor de bază: procesarea imaginilor, calibrarea microscopului sau procese de compensare pentru schimbările din mediu: temperatură, vibrații, aberații.
Peste acest stack, la nivelele superioare rulează aplicațiile end-user, care, de obicei, au funcționalități personalizate pentru tipul microscopului sau automatizează procedeele complexe ale utilizatorilor. Prin acești algoritmi se dorește crearea unui microscop mai "smart", care poate fi operat ușor de oricine, fără a avea cunoștințe profunde în microscopie.
Coordonarea și integrarea componentelor software cu restul sistemului este o provocare în sine: câteva sute de persoane, împreună cu colegii noștri, în mai mult de 30 de echipe internaționale contribuim la dezvoltarea acestui soft complex de microscop.
O versiune nouă a softului este lansată la fiecare 4 luni, release-ul ajungând pe microscoapele clienților cu o întârziere de 12 luni, după o testare riguroasă. Pentru a decide ce intră într-un release și ce feature-uri noi să fie dezvoltate, părțile implicate și oamenii de știință în domeniu colaborează pentru a menține un plan de dezvoltare a microscopului pentru următorii cinci ani. Arhitecții de sistem transformă acest plan în incrementuri pentru product owneri, de unde este distribuit în backlogurile echipelor.
Echipele noastre din Accenture contribuie din trei țări diferite în toate cele trei nivele precum și în procesele de managementul producție și al calității: aproape de hardware dezvoltăm simulatorul și integrarea tastaturii de control a microscopului cu restul sistemului, dar și infrastructură de achiziții de imagini. La nivel de sistem suntem responsabili pentru dezvoltarea și mentenanța diferitelor infrastructuri și frameworkuri, precum logarea sau monitorizarea stării microscopului. În aplicații colaborăm strâns cu stakeholderii, și implementăm îmbunătățiri în arhitectura lor, cum ar fi transformarea unui monolit uriaș în microservicii sau implementarea diferitelor mecanisme de comunicare între aplicații.
Fiind un produs unde erorile de software în produsul final au un cost ridicat, suntem în fruntea implementării diferitelor procese de monitorizare a calității și de eliminare a codului riscant pentru a preveni aceste erori. În domeniul testării, oferim suport în extinderea infrastructurii de testare și în definirea specificațiilor de testare. Pentru o derulare cât mai eficientă a acestor activități, implementăm procese DevOps moderne pentru o integrare continuă a acestui software complex. Astfel suntem implicați în toate ariile de dezvoltare, acoperind o gama largă de tehnologii: C++, C# și Python pentru dezvoltare, PowerShell, InnoSetup pentru automatizare, git, Jira, Jenkins pentru CI/C etc. Clientul nostru este expert în microscopie, iar noi oferim soluții IT în toți pașii producției pentru a facilita dezvoltarea celor mai bune microscoape electronice.
Microscopul electronic a evoluat mult de-a lungul anilor. Acest progres, datorat inovațiilor în domeniul microscopiei și îmbunătățirii hardware-ului, este acum din ce în ce mai mult propulsat de dezvoltări software. Anul trecut am fost martori la recorduri mondiale în imagistică - vizualizarea individuală a atomilor proteinelor (Callaway, 2020) - datorită unor algoritmi noi, la a căror realizare, ne mândrim că a contribuit și echipa noastră. Aceste linii de cod sunt esențiale pentru a descoperi progresiv lumea înconjurătoare și dezvoltarea continuă a multor ramuri științifice, pentru salvarea de vieți omenești sau pentru a inventa următoarea generație de tehnologie ultra-modernă.
Silfies, J. S., Schwartz, S. A., & Davidson, M. W. (n.d.). The Diffraction Barrier in Optical Microscopy. Retrieved from microscopyu.com: https://www.microscopyu.com/techniques/super-resolution/the-diffraction-barrier-in-optical-microscopy
nobelprize.org. (2017, October 4). Cool microscope technology revolutionises biochemistry. Retrieved from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2017/press-release/
Inside the Lab That Invented the COVID-19 Vaccine. (2020, December 8). Retrieved from https://youtu.be/-92HQA0GcI8
de Dan Sabadis
de Sorin Stan
de Ovidiu Mățan
de Ovidiu Mățan
