科学家们开发了一种提高冷冻电子显微镜分辨率的科学开技术

2022-02-10 16:24:00屠丽若导读我们都已经在电视节目中看到那一刻，正在审查粒状的家们镜分，低分辨率的种提安全录像，在录像带上发现一个感兴趣的高冷人，然后毫不留情地要求CSI技术人员

我们都已经在电视节目中看到那一刻，冻电的技正在审查粒状的显微，低分辨率的辨率安全录像，在录像带上发现一个感兴趣的科学开人，然后毫不留情地要求CSI技术人员“增强这一点”。家们镜分稍后单击几下键盘，种提瞧瞧-他们对嫌疑人的高冷脸有了完美，清晰的冻电的技印象。当然，显微这在现实世界中是辨率行不通的，正如许多电影评论家和互联网上的科学开人们喜欢指出的那样。

但是，现实生活中的科学家们最近开发了一种真正的“增强”工具：该工具可以提高用于揭示生物学和医学见解的强大显微镜的分辨率和准确性。

在《自然方法》上发表的一项研究中，由新墨西哥财团的汤姆·泰威利格(Tom Terwilliger)领导的多机构团队，其中包括劳伦斯·伯克利实验室(Berkeley Lab)的研究人员，演示了一种新的计算机算法如何提高生成的3D分子结构图的质量。用冷冻电子显微镜(cryo-EM)。

几十年来，这些低温电磁图(通过拍摄许多显微图像并应用图像处理软件生成)一直是寻求研究动物，植物，微生物和病毒中分子功能的研究人员的重要工具。近年来，cryo-EM技术已经发展到可以为多种类型的分子产生原子级分辨率的结构的程度。但是，在某些情况下，即使是最复杂的cryo-EM方法，其图谱仍比解析复杂化学反应的细节所需的分辨率更低，不确定性更大。

该研究的合著者，伯克利实验室分子生物物理学与整合生物成像部主任保罗·亚当斯说：“在生物学上，我们通过了解分子的结构而受益匪浅。” “我们看到的这种算法的改进将使研究人员更容易从电子冷冻显微镜数据确定原子结构模型。这对建模非常重要的生物分子(例如涉及转录和翻译遗传密码的生物分子)的建模特别重要，由于它们的大而复杂的多单元结构，这些分子通常仅在较低分辨率的图中才能看到。”

该算法通过基于分子外观以及如何最好地估计和消除显微镜数据中的噪声(不需要的和无关的数据)的现有知识来过滤数据，从而锐化分子图。以前曾使用具有相同理论基础的方法来改进由X射线晶体学生成的结构图，并且科学家们以前曾提出将其用于cryo-EM。但是，根据亚当斯(Adams)的说法，直到现在，没有人能够显示出明确的证据表明它适用于低温电磁。

该小组由来自新墨西哥财团，洛斯阿拉莫斯实验室，贝勒医学院，剑桥大学和伯克利实验室的科学家组成，首先将算法应用于已知的人蛋白载铁蛋白的地图上，已知该蛋白的重心为3.1埃分辨率(埃等于十亿分之一米;作为参考，碳原子的直径估计为2埃)。然后，他们将增强版与另一个具有1.8埃分辨率的公开的载铁蛋白参考图进行了比较，发现二者之间的相关性得到了改善。

接下来，研究小组将其方法用于电子显微镜数据库的104个地图数据集中。对于这些图集的很大一部分，该算法改善了实验图与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，该算法在揭示数据中的重要细节方面的明显好处，以及其易用性-它是一种可以在笔记本电脑处理器上执行的自动化分析-可能会使它成为计算机标准部分。 cryo-EM工作流程不断向前发展。实际上，亚当斯已经将算法的源代码添加到了Phenix软件包中，该软件包是自动化大分子结构解决方案的流行软件包，由他领导开发团队。

这项研究是伯克利实验室不断努力的一部分，旨在提高低温电磁技术的功能并率先将其用于基础科学发现。Berkeley Lab的科学家们参与了许多使cryo-EM得以发展并将其推向目前非凡分辨率的突破性发明。