Les réponses aux grandes questions nécessitent de plus en plus l'accès au domaine du très petit.

Alors que les chercheurs continuent de repousser les limites de l'imagerie, un scientifique de l'Université Washington à St. Louis a découvert un obstacle fondamental à la précision lorsqu'il s'agit de mesurer le mouvement de rotation des molécules.

Matthieu Lew, professeur d'ingénierie électrique et des systèmes à la McKelvey School of Engineering, compare la conséquence de cette barrière à quelque chose que beaucoup connaissent.

« Quand vous regardez votre rétroviseur dans la voiture, il y a un avertissement :les objets sont plus proches qu'ils n'y paraissent, " dit Lew, dont les recherches ont été publiées dans le Lettres d'examen physique , la publication phare de l'American Physical Society.

"Nous avons découvert que les objets dans le microscope sont moins confinés qu'ils n'y paraissent. Les molécules fluorescentes semblent toujours être plus confinées dans la liberté de rotation qu'elles ne le sont en réalité, " dit Lew.

Cet écart est le résultat du bruit de mesure.

Ceci est important car les molécules ne sont pas lisses, boules rondes se déplaçant le long de chemins rectilignes, se cogner et se coller les uns aux autres - ils ont une sorte de topographie. Ceci est essentiel pour les réactions chimiques et biologiques :« Il doit y avoir une bonne correspondance entre les poches et les motifs de liaison, " dit Lew. Les pièces du puzzle, C'est, doivent correspondre et se connecter pour que des réactions se produisent.

En plus de se déplacer en trois dimensions, les molécules tournent aussi, comme une balle roulant sur une surface inégale, ils vacillent, tourner, et tourner dans tous les sens. Les chercheurs doivent voir à la fois la ligne droite, mouvement de translation et la rotation, mouvement de rotation pour comprendre comment les molécules interagissent.

Pour voir quoi que ce soit, cependant, un dispositif d'imagerie doit capturer la lumière émise par l'objet fluorescent. Dans le cas de ces minuscules morceaux de matière, cela peut signifier un nombre relativement faible de photons.

La limite découverte par Lew concerne la lumière :si l'objet photographié est trop faible, il apparaîtra contraint en rotation et semblera avoir moins de mouvement de rotation qu'il n'en a réellement. Comme un fan qui tourne, une molécule en rotation doit avoir l'air lisse, comme les lames floues. Mais si ce ventilateur est faiblement éclairé, les lames n'auront pas l'air parfaitement lisses et auront plutôt l'air de « bégayer ». Par conséquent, ils semblent tourner moins qu'ils ne le sont en réalité. (La physique sous-jacente de l'analogie du ventilateur est différente de celle des molécules d'imagerie, toutefois).

"Si une molécule était complètement libre de tourner, ça ressemblerait à une balle lisse, " Lew a déclaré. "Le ballon ne peut jamais être lisse s'il y a du bruit dessus. Ce bruit, cette rugosité la fait ressembler à la boule composée d'une molécule qui n'est pas complètement libre de tourner.

Ce bruit est le résultat de la lumière. Imaginer quelque chose d'aussi petit qu'une molécule traite d'un petit nombre de photons. Prendre des photographies de ces photons, une quantité exquise de lumière, relève du domaine du monde quantique. Une telle photographie ne peut jamais être parfaitement lisse, puisqu'il est constitué d'un nombre fini de photons. Prendre une photo avec seulement quelques photons produit une image floue ou bruyante, comme prendre une photo la nuit.

Essayer de capturer le mouvement de rotation sous ce bruit revient à faire clignoter une lumière stroboscopique devant un ventilateur en mouvement - l'image résultante manque une partie du mouvement, donnant l'impression que la molécule est plus restreinte qu'elle ne l'est en réalité :

Souvent, les scientifiques feront la moyenne de plusieurs images pour réduire l'effet du bruit, mais dans ce cas, la moyenne des images bruitées ne produira pas un résultat précis. "C'est un problème de physique fondamental, " dit Lew.

Ses recherches ont déterminé la limite inférieure - la plus faible qu'une molécule puisse être - après laquelle il est fondamentalement impossible de déterminer si un objet qui semble être partiellement fixé l'est vraiment, ou s'il tourne librement mais est perturbé par le bruit.

En outre, la recherche a montré que les scientifiques doivent choisir avec soin entre l'utilisation de méthodes qui mesurent la rotation 2D et la rotation 3D, comme ces technologies perçoivent en fait le même mouvement de rotation différemment, pouvant conduire à des interprétations différentes.

Quelle que soit la technique d'imagerie, cependant, l'incertitude causée par le bruit demeure.

La recherche ne porte pas uniquement sur l'incertitude. « Nous pouvons utiliser des simulations pour modéliser ces limites et déterminer quels sont leurs effets dans notre imagerie de molécules uniques, " Lew a dit, "et intégrer ces connaissances dans les algorithmes de traitement d'images."

Fondamentalement, bien que, les maths disent qu'à un certain point, il n'y a aucun moyen de faire la distinction entre quelque chose qui tourne complètement et quelque chose qui est partiellement confiné.

"Mais au moins, " Lew a dit, "nous saurons maintenant où est cette limite."

Pourquoi la recherche en imagerie est importante

La recherche en imagerie est importante dans la lutte contre de nombreuses maladies. Dans la maladie amyloïde, comme la maladie d'Alzheimer, par exemple, certaines protéines comme la bêta-amyloïde et la tau s'agglutineront et provoqueront des enchevêtrements dans le cerveau. Avant que cela n'arrive, avant qu'il n'y ait des symptômes, des copies individuelles de ces protéines se déplacent dans la cellule.

"Nous ne savons pas ce qu'ils font, " a déclaré Lew. " Parfois, ils prennent une forme qui les amène à s'agréger, « Ces agrégations peuvent signaler les premiers stades de la maladie.

« Nous aimerions comprendre ce qui fait que ces protéines individuelles changent simplement en s'effondrant, ne causant aucun effet néfaste, dans une conformation qui inaugure la première étape de la progression de la maladie. »