Respostas a grandes questões requerem cada vez mais acesso ao reino do muito pequeno.

À medida que os pesquisadores continuam a empurrar os limites da imagem, um cientista da Washington University em St. Louis descobriu uma barreira fundamental para a precisão quando se trata de medir o movimento rotacional das moléculas.

Matthew Lew, professor de engenharia elétrica e de sistemas na McKelvey School of Engineering, compara a consequência dessa barreira a algo com o qual muitos estão familiarizados.

"Quando você olha para o espelho retrovisor do carro, há uma isenção de responsabilidade:os objetos estão mais próximos do que parecem, "disse Lew, cuja pesquisa foi publicada no Cartas de revisão física , a publicação carro-chefe da American Physical Society.

"Descobrimos que os objetos no microscópio são menos confinados do que parecem. As moléculas fluorescentes sempre parecem estar mais confinadas na liberdade de rotação do que realmente são, "Lew disse.

Essa discrepância é resultado do ruído de medição.

Isso é importante porque as moléculas não são lisas, bolas redondas movendo-se ao longo de caminhos retos, esbarrando uns nos outros e grudando-se - eles têm uma espécie de topografia. Isso é fundamental para as reações químicas e biológicas:"É preciso haver a combinação certa de bolsos e motivos de ligação, "Lew disse. As peças do quebra-cabeça, isso é, precisam combinar e conectar para que as reações ocorram.

Além de se mover em três dimensões, as moléculas também giram, como uma bola rolando por uma superfície irregular, eles balançam, torção, e gire em todas as direções. Os pesquisadores precisam ver tanto o lado direito, movimento translacional e o giro, movimento rotacional para entender como as moléculas interagem.

Para ver qualquer coisa, Contudo, um dispositivo de imagem precisa capturar a luz emitida pelo objeto fluorescente. No caso desses pequenos pedaços de matéria, isso pode significar um número relativamente pequeno de fótons.

O limite que Lew descobriu trata da luz:se o objeto da imagem for muito escuro, ele aparecerá restrito rotacionalmente e parecerá que tem menos movimento rotacional do que realmente tem. Como um ventilador girando, uma molécula em rotação deve parecer lisa - como as lâminas borradas. Mas se esse ventilador estiver mal iluminado, as lâminas não ficarão perfeitamente lisas e, em vez disso, parecerão "gaguejantes". Portanto, eles parecem estar girando menos do que realmente estão. (A física subjacente da analogia do ventilador é diferente da das moléculas de imagem, Contudo).

"Se uma molécula fosse completamente livre para girar, pareceria uma bola lisa, - disse Lew. - A bola nunca pode ser lisa se houver ruído em cima dela. Aquele barulho, essa aspereza faz com que pareça uma bola composta de uma molécula que não está completamente livre para girar. "

Esse ruído é resultado da luz. Imaginar algo tão pequeno quanto uma molécula lida com um pequeno número de fótons. Tirando fotos desses fótons, uma quantidade extraordinariamente pequena de luz, cai dentro do reino do mundo quântico. Essa fotografia nunca pode ser perfeitamente lisa, uma vez que é composto por um número finito de fótons. Tirar uma foto com apenas alguns fótons produz uma imagem difusa ou com ruído - como tirar uma foto à noite.

Tentar capturar o movimento rotacional sob esse ruído é semelhante a piscar uma luz estroboscópica na frente de um ventilador em movimento - a imagem resultante perde parte do movimento, fazendo parecer que a molécula está mais contida do que realmente é:

Muitas vezes, os cientistas farão a média de várias imagens para reduzir o efeito do ruído, mas neste caso, calcular a média de imagens com ruído não produzirá um resultado preciso. "Este é um problema de física fundamental, "Lew disse.

Sua pesquisa descobriu o limite inferior - o mais obscuro que uma molécula pode ser - após o qual é fundamentalmente impossível determinar se um objeto que parece estar parcialmente fixado no lugar realmente está, ou se está realmente girando livremente, mas sendo perturbado pelo ruído.

Além disso, a pesquisa mostrou que os cientistas precisam escolher cuidadosamente entre o uso de métodos que medem a rotação 2-D e a rotação 3-D, visto que essas tecnologias realmente percebem o mesmo movimento rotacional de forma diferente, possivelmente levando a diferentes interpretações.

Independentemente da técnica de imagem, Contudo, a incerteza causada pelo ruído permanece.

A pesquisa não é inteiramente sobre incerteza. "Podemos usar simulações para modelar esses limites e descobrir quais são seus efeitos em nossas imagens de moléculas individuais, "Lew disse, "e incorporar esse conhecimento em algoritmos de processamento de imagem."

Fundamentalmente, no entanto, a matemática diz que em um certo ponto, não há como distinguir entre algo que está girando completamente e algo que está parcialmente confinado.

"Mas pelo menos, "Lew disse, "agora saberemos onde está esse limite."

Por que a pesquisa de imagens é importante

A pesquisa por imagem é importante na luta contra muitas doenças. Na doença amilóide, como Alzheimer, por exemplo, certas proteínas como amilóide beta e tau se aglutinam e causam emaranhados no cérebro. Antes que isso aconteça, antes que haja qualquer sintoma, cópias individuais dessas proteínas estão se movendo na célula.

"Não sabemos o que eles fazem, "disse Lew." Ocasionalmente, eles assumem algum tipo de forma que os faz se agregar, "essas agregações podem sinalizar os estágios iniciais da doença.

"Gostaríamos de entender o que faz com que essas proteínas individuais mudem de apenas ficar pulando, não causando quaisquer efeitos nocivos, em uma conformação que dá início ao primeiro estágio de progressão da doença. "