Le risposte alle grandi domande richiedono sempre più l'accesso al regno del molto piccolo.

Mentre i ricercatori continuano a spingere i limiti dell'imaging, uno scienziato della Washington University di St. Louis ha scoperto una barriera fondamentale alla precisione quando si tratta di misurare il movimento rotatorio delle molecole.

Matteo Lew, professore di ingegneria elettrica e dei sistemi presso la McKelvey School of Engineering, paragona la conseguenza di questa barriera a qualcosa che molti conoscono.

"Quando guardi il tuo specchietto laterale in macchina, c'è un disclaimer:gli oggetti sono più vicini di quanto appaiano, "disse Leo, la cui ricerca è stata pubblicata nel Lettere di revisione fisica , la pubblicazione di punta dell'American Physical Society.

"Abbiamo scoperto che gli oggetti nel microscopio sono meno confinati di quanto appaiano. Le molecole fluorescenti sembrano sempre essere più confinate nella libertà di rotazione di quanto non siano in realtà, " ha detto Leo.

Questa discrepanza è il risultato del rumore di misurazione.

Questo è importante perché le molecole non sono lisce, palle rotonde che si muovono lungo percorsi dritti, che si scontrano e si uniscono:hanno una specie di topografia. Questo è fondamentale per le reazioni chimiche e biologiche:"Ci deve essere il giusto abbinamento di tasche e motivi vincolanti, " disse Lew. I pezzi del puzzle, questo è, devono corrispondere e connettersi affinché si verifichino le reazioni.

Oltre a muoversi in tre dimensioni, anche le molecole ruotano, come una palla che rotola su una superficie irregolare, oscillano, intrecciare, e gira in tutte le direzioni. I ricercatori devono vedere sia il dritto, movimento traslatorio e la filatura, movimento rotatorio per capire come interagiscono le molecole.

Per vedere qualcosa, però, un dispositivo di imaging deve catturare la luce emessa dall'oggetto fluorescente. Nel caso di questi minuscoli frammenti di materia, ciò può significare un numero relativamente piccolo di fotoni.

Il limite che Lew ha scoperto riguarda la luce:se l'oggetto ripreso è troppo debole, apparirà vincolato alla rotazione e sembrerà che abbia meno movimento di rotazione di quanto non abbia effettivamente. Come un ventilatore che gira, una molecola rotante dovrebbe apparire liscia, come le lame sfocate. Ma se quel ventilatore è poco illuminato, le lame non sembreranno perfettamente lisce e sembreranno invece "balbuzienti". Perciò, sembrano ruotare meno di quanto non siano in realtà. (La fisica alla base dell'analogia del ventaglio è diversa da quella delle molecole di imaging, però).

"Se una molecola fosse completamente libera di ruotare, sembrerebbe una palla liscia, " Ha detto Lew. "La palla non può mai essere liscia se c'è rumore sopra di essa. Quel rumore, quella ruvidità fa sembrare la palla composta da una molecola che non è completamente libera di ruotare".

Quel rumore è il risultato della luce. L'imaging di qualcosa di piccolo come una molecola ha a che fare con un piccolo numero di fotoni. Scattare fotografie di questi fotoni, una quantità di luce squisitamente piccola, rientra nel regno del mondo quantistico. Una fotografia del genere non può mai essere perfettamente liscia, poiché è costituito da un numero finito di fotoni. Scattare una foto con pochi fotoni produce un'immagine sfocata o rumorosa, come fare una foto di notte.

Cercare di catturare il movimento rotatorio al di sotto di quel rumore è come far lampeggiare una luce stroboscopica davanti a una ventola in movimento:l'immagine risultante perde parte del movimento, facendo sembrare che la molecola sia più contenuta di quanto non sia in realtà:

Spesso, gli scienziati faranno la media di più immagini per ridurre l'effetto del rumore, ma in questo caso, la media delle immagini rumorose non produrrà un risultato accurato. "Questo è un problema di fisica fondamentale, " ha detto Leo.

La sua ricerca ha individuato il limite inferiore, il più debole possibile per una molecola, dopo il quale è fondamentalmente impossibile determinare se un oggetto che sembra parzialmente fissato in posizione lo sia davvero, o se in realtà ruota liberamente ma è disturbato dal rumore.

Inoltre, la ricerca ha mostrato che gli scienziati devono scegliere con attenzione tra l'utilizzo di metodi che misurano la rotazione 2-D rispetto alla rotazione 3-D, poiché queste tecnologie in realtà percepiscono lo stesso movimento rotatorio in modo diverso, forse portando a diverse interpretazioni.

Indipendentemente dalla tecnica di imaging, però, l'incertezza causata dal rumore rimane.

La ricerca non riguarda interamente l'incertezza. "Possiamo usare le simulazioni per modellare questi limiti e capire quali sono i loro effetti nella nostra rappresentazione di singole molecole, "Lew ha detto, "e incorporare questa conoscenza negli algoritmi di elaborazione delle immagini".

Fondamentalmente, anche se, la matematica dice che a un certo punto, non c'è modo di distinguere tra qualcosa che ruota completamente e qualcosa che è parzialmente confinato.

"Ma almeno, "Lew ha detto, "Ora sapremo dov'è quel limite."

Perché la ricerca per immagini è importante

La ricerca per immagini è importante nella lotta contro molte malattie. Nella malattia amiloide, come l'Alzheimer, Per esempio, alcune proteine ​​come l'amiloide-beta e la tau si aggregano e causano grovigli nel cervello. Prima che ciò accada, prima che ci siano sintomi, singole copie di queste proteine ​​si muovono nella cellula.

"Non sappiamo cosa fanno, "disse Lew. "Occasionalmente assumono una forma che li fa aggregare, "Queste aggregazioni possono segnalare le prime fasi della malattia.

"Vorremmo capire cosa causa il cambiamento di quelle singole proteine ​​dal semplice movimento, non provocando effetti negativi, in una conformazione che inaugura la prima fase della progressione della malattia."