2005年12月5日
计算机科学家和生物学家在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室开发的软件,可以选择成千上万的高质量图像的生物分子电子microgaphs,快速和自动,精度接近分析师经验丰富的人。
新算法,称为“粒子通过细分,“承诺大大增加的速度和力量的方法确定在高分辨率的生物结构,基于数据从电子显微镜。
当我们所需要的是一个大而复杂的生物分子的高分辨率结构——核糖体,说,相结合的蛋白质和RNA或膜蛋白在水中很容易分解,很难结晶,生物学家通常把低温电子显微镜(低温电子显微镜)来执行单粒子重建。
理解结构往往是设计的关键抗生素和其他疗法可以干扰的生物活性,例如,传染性细菌合成蛋白质的能力可以通过干扰破坏了他们的核糖体,核糖体结构是否详细。单粒子重建与低温电子显微镜持有的承诺提供许多高分辨率结构,否则可能难以或者不可能获得。
而不是试图诱导分子排列在一个重复的晶体结构,作为x射线晶体学是必要的,低温电子显微镜使用单个分子冻结在随机取向。从许多不同的角度捕捉分子的二维图像允许强大的计算机再现结构在三维空间中,一个过程的分子生物学家罗伯特·格莱泽伯克利实验室的物理生物科学和生命科学部门,同时也是生物化学和分子生物学教授在加州大学伯克利分校,称为“硅的结晶。”亚博老虎机网登录
“理论上,你需要两倍的粒子的分子量要形象,“Umesh艾迪加解释说,格莱yabo214泽的实验室和一个科学家在物理生物科学部门。亚博老虎机网登录分子量大致对应于分子中原子的数量。“所以与一百万原子分子,你需要有一百万个粒子图像——成千上万的每个方向。”
这些必须选择从数以百万计的候选人,并且每个必须显示整个粒子和粒子。典型的显微照片显示一千五百或更多的粒子,但挑选出来并不容易。yabo214显微镜的电子束,需要保持在低功率为防止辐射损伤,因此,信噪比低和粒子几乎难以察觉,形状的灰色领域。yabo214
自动particle-picking方法已经制定应对这一挑战,但直到现在即使是最好的收益率超过30%的假阳性,劣质的粒子图像或其他东西,像碎片或背景噪音。yabo214因此“人类仍然要经历他们,挑出好的,”艾迪加说。
艾迪加和他的同事们决定,太多的注意力集中在粒子本身的早期阶段选择——例如,逼近它的形状和创建一个模板,被迫适应真实的图像,这一过程常见的所有先前的自动方法——简单地增加了困难。“我们决定,如果有噪音,噪音,首先我们不要处理粒子但噪音,”他说。“如果粒子是前台,我们处理的背景。”
首先建立粒子的平均灰度范围,对比可以维持在质地细腻的背景平滑。yabo214然后减去消除背景。
接下来的步骤涉及到一个过程称为细分,由艾迪加和他的同事们。背景中减去后,显微照片呈现在高对比度。只有一定规模的形状和亮度留存;所有其余的都丢弃在一步叫做二值化,或阈值。“你不需要知道粒子的样子在你开始之前选好的图片,只有它有多大,”艾迪加说。
阈值过程是迭代的,但最终处理过的高对比度图像粒子可以明确地匹配与原件的非常详细,低对比度显微照片。一些图片可能仍然存在问题,例如,一些粒子可能如此接近他们似乎触摸;yabo214在这些情况下,一个额外的过程称为“封口”分离候选人实际上不是连接和丢弃那些。盒子是在最后的选择,使他们提高图像质量的操作称为“收缩”。
如果相邻的一部分粒子突出到盒子里,它是自动丢弃,取而代之的是一种模式纹理像其余的背景。在这个过程的最后阶段——尽管不是一开始可能有利于使用模板(包括形状粒子的信息)以完善身份。
大量的显微图需要提供成千上万的粒子在一个典型的大分子重建,但程序用户需要设置参数如颗粒大小和灰度范围只有一次,在一个单一的显微照片。yabo214之后程序运行在它自己的,整理每个显微照片在大约十分钟。
艾迪加和他的同事检测了新算法通过使用它从超过130000中选择图像中心提供的核糖体颗粒显微图55年的奥尔巴尼纽约州立卫生部。yabo214艾迪加分别视察了55眼显微图,选择“手动”粒子,其中超过80%是相同选择的程序。yabo214只有不到10%的图片选择的程序是假阳性。
http://www.lbl.gov/