Las respuestas a las grandes preguntas requieren cada vez más acceso al ámbito de lo muy pequeño.

A medida que los investigadores continúan ampliando los límites de las imágenes, un científico de la Universidad de Washington en St. Louis ha descubierto una barrera fundamental para la precisión cuando se trata de medir el movimiento de rotación de las moléculas.

Matthew Lew, profesor de ingeniería eléctrica y de sistemas en la Escuela de Ingeniería McKelvey, compara la consecuencia de esta barrera con algo con lo que muchos están familiarizados.

"Cuando miras el espejo retrovisor lateral en el auto, hay un descargo de responsabilidad:los objetos están más cerca de lo que parecen, "dijo Lew, cuya investigación fue publicada en el Cartas de revisión física , la publicación insignia de la American Physical Society.

"Hemos descubierto que los objetos en el microscopio están menos confinados de lo que parecen. Las moléculas fluorescentes siempre parecen estar más confinadas en libertad de rotación de lo que realmente están, Lew dijo.

Esta discrepancia es el resultado del ruido de medición.

Esto es importante porque las moléculas no son suaves, bolas redondas que se mueven por caminos rectos, chocar entre sí y pegarse, tienen una especie de topografía. Esto es fundamental para las reacciones químicas y biológicas:"Es necesario que haya una combinación adecuada de bolsillos y motivos de unión, Lew dijo. Las piezas del rompecabezas, es decir, deben coincidir y conectarse para que se produzcan reacciones.

Además de moverse en tres dimensiones, las moléculas también giran, como una pelota rodando por una superficie irregular, se bambolean, giro, y girar en todas direcciones. Los investigadores necesitan ver tanto la recta como la movimiento de traslación y el giro, movimiento de rotación para comprender cómo interactúan las moléculas.

Para ver cualquier cosa sin embargo, un dispositivo de imágenes necesita capturar la luz emitida por el objeto fluorescente. En el caso de estos pequeños trozos de materia, eso puede significar un número relativamente pequeño de fotones.

El límite que Lew ha descubierto tiene que ver con la luz:si el objeto que se está fotografiando es demasiado tenue, Aparecerá con restricción de rotación y parecerá que tiene menos movimiento de rotación de lo que realmente tiene. Como un ventilador girando una molécula en rotación debe verse suave, como las hojas borrosas. Pero si ese ventilador está tenuemente iluminado, las hojas no se verán perfectamente lisas y, en cambio, parecerán "tartamudear". Por lo tanto, parecen girar menos de lo que realmente están. (La física subyacente de la analogía del ventilador es diferente a la de las moléculas de imagen, sin embargo).

"Si una molécula tuviera total libertad para rotar, se vería como una bola lisa, "Dijo Lew." La pelota nunca puede ser suave si hay ruido encima. Ese ruido, esa aspereza hace que parezca una bola formada por una molécula que no es completamente libre de rotar ".

Ese ruido es el resultado de la luz. La formación de imágenes de algo tan pequeño como una molécula trata con una pequeña cantidad de fotones. Tomando fotografías de estos fotones, una cantidad exquisitamente pequeña de luz, cae dentro del reino del mundo cuántico. Una fotografía así nunca puede ser perfectamente lisa, ya que está formado por un número finito de fotones. Tomar una foto con solo unos pocos fotones produce una imagen borrosa o ruidosa, como tomar una fotografía por la noche.

Intentar capturar el movimiento de rotación debajo de ese ruido es similar a hacer parpadear una luz estroboscópica frente a un ventilador en movimiento; la imagen resultante pierde parte del movimiento, haciendo que parezca que la molécula está más restringida de lo que realmente es:

A menudo, los científicos promediarán varias imágenes para reducir el efecto del ruido, pero en este caso, promediar imágenes ruidosas no producirá un resultado preciso. "Este es un problema de física fundamental, Lew dijo.

Su investigación ha resuelto el límite inferior, lo más tenue que puede ser una molécula, después del cual es fundamentalmente imposible determinar si un objeto que parece estar parcialmente fijo en su lugar realmente lo es, o si en realidad gira libremente pero el ruido lo molesta.

Además, la investigación mostró que los científicos deben elegir cuidadosamente entre el uso de métodos que miden la rotación 2-D o la rotación 3-D, ya que estas tecnologías perciben el mismo movimiento de rotación de manera diferente, posiblemente dando lugar a diferentes interpretaciones.

Independientemente de la técnica de imagen, sin embargo, la incertidumbre causada por el ruido permanece.

La investigación no se basa exclusivamente en la incertidumbre. "Podemos usar simulaciones para modelar estos límites y averiguar cuáles son sus efectos en nuestras imágenes de moléculas individuales, Lew dijo:"e incorporar este conocimiento en algoritmos de procesamiento de imágenes".

Fundamentalmente, aunque, las matemáticas dicen que en cierto momento, no hay forma de distinguir entre algo que gira completamente y algo que está parcialmente confinado.

"Pero al menos, Lew dijo:"ahora sabremos dónde está ese límite".

Por qué es importante la investigación de imágenes

La investigación de imágenes es importante en la lucha contra muchas enfermedades. En la enfermedad amiloide, como el Alzheimer, por ejemplo, ciertas proteínas como la beta amiloide y la tau se aglutinarán y provocarán enredos en el cerebro. Antes de que eso suceda, antes de que haya algún síntoma, copias individuales de estas proteínas se mueven por la célula.

"No sabemos lo que hacen, "dijo Lew." De vez en cuando asumirán algún tipo de forma que haga que se agreguen, "esas agregaciones pueden señalar las primeras etapas de la enfermedad.

"Nos gustaría entender qué causa que esas proteínas individuales cambien por simplemente moverse, no causar efectos nocivos, en una conformación que marca el comienzo de la primera etapa de progresión de la enfermedad ".