新算法削减了世界上最强大的显微镜的焦点

我们都曾在警视剧中看到过这样的场景:一名侦探在查看模糊的、低分辨率的安全监控录像时,发现了录像中的嫌疑人,然后若无其事地要求CSI技术员“加强这一点”。点击几下键盘,瞧——他们就得到了嫌疑人完美、清晰的面部图像。当然,正如许多影评人和互联网上的人所指出的那样,这在现实世界中是行不通的。

然而,现实生活中的科学家最近开发了一种真正的“增强”工具:它可以提高用于揭示生物学和医学vwin手机版洞见的高倍显微镜的分辨率和准确性。

在一个这项研究发表在《自然方法》杂志上由新墨西哥联盟的Tom Terwilliger领导的一个多机构团队,包括来自劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员演示了一种新的计算机算法如何提高低温电子显微镜(cryoo - em)生成的三维分子结构图的质量。

几十年来,通过占用许多显微镜图像和应用图像处理软件来生成的这些Cryo-EM地图 - 对于研究人员来说,寻求学习动物,植物,微生物和病毒功能的分子的关键工具。近年来,Cryo-EM技术已经推进了它可以为许多类型分子产生原子级分辨率的结构。然而,在某些情况下,即使是最复杂的Cryo-EM方法也仍然产生具有较低分辨率的地图,并且比梳理复合化学反应的细节所需的更高的不确定性。

“在生物学,我们获得这么多通过了解分子的结构,”这项研究的共同作者Paul Adams,分子生物物理学和集成Bioimaging部门主任伯克利实验室。”我们看到这个算法的改进将使研究人员更容易从电子cryo-microscopy数据来确定原子的结构模型。这对于建模非常重要的生物分子特别重要,例如那些涉及转录和翻译遗传密码的分子,由于它们巨大而复杂的多单元结构,这些分子通常只在低分辨率地图中看到。”

该算法通过过滤数据来锐化分子地图,这是基于现有的分子看起来像什么知识,以及如何最好地估计和去除噪音(不需要的和不相关的数据)在显微镜数据。一种具有相同理论基础的方法以前曾被用于改进x射线晶体学生成的结构图,科学家们以前也曾提出将其应用于低温电子显微镜。但是,根据亚当斯的说法,直到现在,还没有人能够拿出确凿的证据证明它在低温电子显微镜下有效。

团队——来自新墨西哥科学家组成的财团,洛斯阿拉莫斯国家实验室,贝勒医学院,剑桥大学和伯克利实验室——首先应用算法公开地图已知的人类蛋白质去铁铁蛋白3.1埃分辨率(一个埃等于10-billionth一米;作为参考,一个碳原子的直径估计为2埃)。然后,他们将他们的增强版与另一张1.8埃分辨率的非铁蛋白参考图进行了比较,发现两者之间的相关性有所提高。

接下来,该团队在来自电子显微镜数据库的104个地图数据集中使用了它们的方法。对于大量比例的这些地图集,该算法改善了实验图和已知原子结构之间的相关性,并增加了细节的可见性。

作者指出,算法的明显的好处在揭示重要的细节数据,结合其易用性——它是一种自动化分析,可以在笔记本电脑处理器执行,可能会使它的一部分的标准部分低温电子显微镜工作流前进。事实上,Adams已经将算法的源代码添加到凤凰软件套件是一种流行的包装,用于自动宏分子结构解决方案,他领导开发团队。vwin手机版

这项研究是伯克利实验室不断努力的一部分,以提高低温电子显微镜技术的能力,并率先将其用于基础科学发现。德赢手机版许多突破性的发明使低温电子显微镜得以发展,后来又把它推到现在的超高分辨率vwin手机版伯克利实验室的科学家



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