Op de middelbare school scheikunde, we hebben allemaal geleerd over chemische reacties. Maar wat brengt twee reagerende moleculen samen? Zoals Einstein ons heeft uitgelegd, het is de willekeurige beweging van inerte moleculen aangedreven door het bombardement van oplosmiddelmoleculen. Als het dicht genoeg bij elkaar wordt gebracht, door willekeurig toeval, deze moleculen kunnen reageren.

Het vastleggen van de beweging van afzonderlijke moleculen wordt bereikt door een methode die bekend staat als fluorescentiecorrelatiespectroscopie (FCS). De vangst? Er zijn heel veel detecties van lichtdeeltjes nodig, fotonen, uitgezonden door enkele moleculen om een ​​duidelijk beeld te krijgen van moleculaire beweging.

Als een illustratie, denk aan een politieke peiling. Op elk willekeurig moment in een campagnecyclus, peilingen worden gebruikt om de uitkomst van een aanstaande verkiezing te voorspellen. Maar hoeveel kiezers moeten we ondervragen om een ​​nauwkeurige voorspelling te krijgen en, gegeven hoe tijdgevoelig pollinginformatie is, hoe snel kunnen we de politieke voorkeuren van de natie onderzoeken? Elke kiezer in elke staat vragen zou nauwkeurige resultaten opleveren, maar zou te duur zijn in tijd en dollars. Om praktische redenen, we moeten een steekproef van kiezers nemen en alle informatie in die steekproef efficiënt benutten. De kiezers in deze illustratie zijn hier onze spreekwoordelijke fotonen.

De lange tijd die nodig is om gegevens in FCS te verzamelen, is net als de naïeve pollingstrategie die eerder werd benadrukt. Het duurt te lang, en de chemie die we belangrijk vinden om te leren, is misschien al gedaan. Verder, het langdurig blootstellen van monsters aan de laser kan leiden tot fotochemische schade aan bestudeerde moleculen, voorkomen van het wijdverbreide gebruik van FCS in biologisch onderzoek.

"Single-molecule fluorescentietechnieken hebben een revolutie teweeggebracht in ons begrip van de dynamiek van veel kritische moleculaire processen, maar signalen zijn inherent luidruchtig en experimenten vereisen lange acquisitietijden, " legde Marcia Levitus uit, een universitair hoofddocent aan de School of Molecular Sciences en het Biodesign Institute.

Dit werk maakt gebruik van nieuwe tools uit de datawetenschap om elk gedetecteerd foton te laten tellen en ons beeld van moleculaire beweging te verfijnen.

"Nieuwe wiskundige hulpmiddelen maken het mogelijk om in een nieuw licht over oude maar krachtige experimenten na te denken, " zei Steve Pressé, hoofdauteur van de studie en gezamenlijk professor in de afdeling Natuurkunde en School of Molecular Sciences aan de ASU van de Arizona State University.

Een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie door Pressé en medewerkers pakken deze problemen nu aan met behulp van tools uit datawetenschap en, specifieker, Bayesiaanse niet-parametrische gegevens - een soort statistische modelleringstool die tot nu toe grotendeels buiten de natuurwetenschappen wordt gebruikt. Levitus voegt eraan toe:"Oude strategieën beperkten ons vermogen om alles te onderzoeken behalve trage processen, waardoor een groot aantal interessante biologische vragen met betrekking tot snellere chemische reacties buiten bereik blijven. Nu kunnen we beginnen met het stellen van vragen over processen die op korte termijn zijn opgelost."