De puzzel van 3D-beelden van een enkele opname

3D-beeldvorming heeft altijd een eigenaardige fascinatie gehad voor wetenschappers en uitvinders. Over het algemeen vereisen 3D-beeldvormingstechnieken ten minste twee gezichtspunten om de 3D-structuur te bepalen.

En de meest gebruikte voor beeldvorming van moleculen - diffractiebeeldvorming, tomografie en confocale microscopie - vereisen talloze afbeeldingen in verschillende oriëntaties of meerdere scans in dunne secties.

Er was dus enorme belangstelling toen in 2009 Jianwei Miao van de Universiteit van Californië, Los Angeles en een paar vrienden ontdekten hoe je 3D-modellen van complexe moleculen kon maken op basis van een enkel beeld. Ze noemden de techniek ankylografie, afgeleid van het Griekse woord ankylos, wat gekromd betekent, en het woord graphein dat schrijven betekent.

Hun gedachte was dat het mogelijk zou moeten zijn om de volledige 3D-structuur vast te leggen van het diffractiepatroon dat op een bol valt. In plaats van veel afbeeldingen te maken, zou een iteratief algoritme vervolgens de 3D-structuur kunnen destilleren.

Deze jongens demonstreerden de techniek numeriek om de vorm van een poliovirus te reconstrueren en demonstreerden het ook praktisch door de hierboven getoonde 3D-vorm te reconstrueren.

Sindsdien heeft het werk kritiek gekregen. Andere wetenschappers hebben gesuggereerd dat de techniek niet kan worden geschaald naar objecten van interessante grootte en dat het in ieder geval alleen werkt voor dingen die zo dun zijn dat ze hoe dan ook in wezen tweedimensionaal zijn.

Vandaag reageren Miao en vrienden. Ze zeggen dat de wiskundige analyse die suggereert dat de techniek alleen werkt voor 2D-objecten een aantal onrealistische veronderstellingen maakt. In het bijzonder gaat het ervan uit dat de bolvormige schil waarin het beeld is opgenomen oneindig dun is.

Miao en co zeggen daarentegen dat de schaal een eindige dikte heeft die wordt bepaald door de diepte van de voxels die worden gebruikt om het beeld vast te leggen. Het is dit, zeggen ze, dat de extra informatie levert die nodig is voor de bepaling van de 3D-structuur.

Ze zeggen ook dat het mogelijk is om de techniek voor grotere objecten te gebruiken, bijvoorbeeld door meerdere foto's te maken (hoewel dit het oorspronkelijke voordeel deels ondermijnt).

Natuurlijk, Miao en co erkennen enkele beperkingen van ankylografie, maar zeggen dat de techniek zo nieuw is dat het zeker moet worden aangepast voordat het meer wijdverbreid wordt gebruikt.

Het voordeel om 3D-objecten met een enkele opname in beeld te kunnen brengen is natuurlijk enorm. Het zou bijvoorbeeld 3D-films van moleculen mogelijk moeten maken terwijl ze bewegen of van vorm veranderen. Dat is lastig met andere technieken als er meerdere shots nodig zijn om op elk moment de structuur te bepalen.

3D-beeldvormingstechnieken hebben een geschiedenis van moeilijke geboorten. Dit is duidelijk geen uitzondering.

Scheidsrechters:

arxiv.org/abs/1112.4459 : Potentieel en uitdaging van ankylografie

arxiv.org/abs/1001.4594 : Fundamentele limieten van ankylografie als gevolg van dimensionale deficiëntie

arxiv.org/abs/0905.0269 : Driedimensionale structuurbepaling vanuit één oogopslag

zich verstoppen