Antwoorden op grote vragen vereisen in toenemende mate toegang tot het rijk van het zeer kleine.

Terwijl onderzoekers de grenzen van beeldvorming blijven verleggen, een wetenschapper aan de Washington University in St. Louis heeft een fundamentele barrière voor nauwkeurigheid ontdekt als het gaat om het meten van de rotatiebeweging van moleculen.

Matthew Lew, hoogleraar elektrische en systeemtechniek aan de McKelvey School of Engineering, vergelijkt de consequentie van deze barrière met iets waar velen bekend mee zijn.

"Als je in de auto in je zijspiegel kijkt, er is een disclaimer:objecten zijn dichterbij dan ze lijken, " zei Lew, wiens onderzoek werd gepubliceerd in de Fysieke beoordelingsbrieven , de vlaggenschippublicatie van de American Physical Society.

"We hebben ontdekt dat objecten in de microscoop minder beperkt zijn dan ze lijken. Fluorescerende moleculen lijken altijd meer beperkt in rotatievrijheid dan ze in werkelijkheid zijn, ' zei Lew.

Deze discrepantie is het gevolg van meetruis.

Dit is belangrijk omdat moleculen niet glad zijn, ronde ballen die langs rechte paden bewegen, tegen elkaar botsen en aan elkaar plakken - ze hebben een soort topografie. Dit is van cruciaal belang voor chemische en biologische reacties:"Er moet de juiste afstemming zijn van zakken en bindingsmotieven, " zei Lew. De puzzelstukjes, dat is, moeten matchen en verbinden om reacties te laten plaatsvinden.

Naast het bewegen in drie dimensies, moleculen roteren ook, als een bal die over een oneffen oppervlak rolt, wiebelen ze, twist, en draaien in alle richtingen. Onderzoekers moeten zowel het rechte, translatiebeweging en het draaien, roterende beweging om te begrijpen hoe moleculen op elkaar inwerken.

Om iets te zien, echter, een beeldapparaat moet het licht opvangen dat door het fluorescerende object wordt uitgezonden. In het geval van deze kleine stukjes materie, dat kan een relatief klein aantal fotonen betekenen.

De limiet die Lew heeft ontdekt, gaat over licht:als het afgebeelde object te zwak is, het zal in rotatie beperkt lijken en eruit zien alsof het minder rotatiebeweging heeft dan het in werkelijkheid doet. Als een draaiende ventilator, een draaiend molecuul moet er glad uitzien, zoals de wazige bladen. Maar als die ventilator zwak brandt, de bladen zien er niet perfect glad uit en zullen in plaats daarvan lijken te "stotteren". Daarom, ze lijken minder rond te draaien dan ze in werkelijkheid zijn. (De onderliggende fysica van de fan-analogie is anders dan die van beeldvormende moleculen, echter).

"Als een molecuul volledig vrij zou kunnen roteren, het zou eruit zien als een gladde bal, "Zei Lew. "De bal kan nooit glad zijn als er geluid bovenop zit. Dat geluid, door die ruwheid lijkt het op de bal die bestaat uit een molecuul dat niet helemaal vrij kan draaien."

Dat geluid is een gevolg van licht. Het afbeelden van zoiets kleins als een molecuul heeft te maken met een klein aantal fotonen. Het maken van foto's van deze fotonen, een prachtig kleine hoeveelheid licht, valt binnen het domein van de kwantumwereld. Zo'n foto kan nooit perfect glad zijn, omdat het bestaat uit een eindig aantal fotonen. Als u een foto maakt met slechts een paar fotonen, krijgt u een wazige of lawaaierige foto, zoals wanneer u 's nachts een foto maakt.

Proberen de roterende beweging onder dat geluid vast te leggen, is vergelijkbaar met het flitsen van een stroboscooplamp voor een bewegende ventilator - de resulterende foto mist een deel van de beweging, waardoor het lijkt alsof het molecuul meer ingetogen is dan het in werkelijkheid is:

Vaak, wetenschappers zullen het gemiddelde nemen van meerdere afbeeldingen om het effect van ruis te verminderen, maar in dit geval het middelen van afbeeldingen met ruis levert geen nauwkeurig resultaat op. "Dit is een fundamenteel natuurkundig probleem, ' zei Lew.

Zijn onderzoek heeft de ondergrens bepaald - de zwakste die een molecuul kan zijn - waarna het fundamenteel onmogelijk is om te bepalen of een object dat eruitziet alsof het gedeeltelijk op zijn plaats is gefixeerd, werkelijk is, of als het daadwerkelijk vrij ronddraait maar wordt gestoord door geluid.

In aanvulling, het onderzoek toonde aan dat wetenschappers zorgvuldig moeten kiezen tussen het gebruik van methoden die 2D-rotatie meten versus 3D-rotatie, aangezien deze technologieën dezelfde rotatiebeweging in feite anders waarnemen, mogelijk leiden tot verschillende interpretaties.

Ongeacht de beeldtechniek, echter, de onzekerheid veroorzaakt door geluid blijft.

Het onderzoek gaat niet alleen over onzekerheid. "We kunnen simulaties gebruiken om deze limieten te modelleren en erachter te komen wat hun effecten zijn in onze beeldvorming van afzonderlijke moleculen, " zei Lew, "en deze kennis opnemen in algoritmen voor beeldverwerking."

Fundamenteel, Hoewel, de wiskunde zegt dat op een bepaald moment, er is geen manier om onderscheid te maken tussen iets dat volledig draait en iets dat gedeeltelijk is opgesloten.

"Maar tenminste, " zei Lew, "We zullen nu weten waar die grens ligt."

Waarom beeldvormend onderzoek belangrijk is

Beeldvormingsonderzoek is belangrijk in de strijd tegen vele ziekten. Bij amyloïde ziekte, zoals Alzheimer, bijvoorbeeld, bepaalde eiwitten zoals amyloïde bèta en tau zullen klonteren en klitten in de hersenen veroorzaken. Voordat dat gebeurt, voordat er symptomen zijn, individuele kopieën van deze eiwitten bewegen in de cel.

"We weten niet wat ze doen, "zei Lew. "Af en toe zullen ze een vorm aannemen waardoor ze gaan aggregeren, " die aggregaties kunnen wijzen op de vroegste stadia van de ziekte.

"We willen graag begrijpen waardoor die individuele eiwitten veranderen van gewoon rondscharrelen, geen nadelige gevolgen hebben, in een conformatie die de eerste fase van ziekteprogressie inluidt."