生物物理所提出消除取向優勢問題的冷凍電鏡三維重構新算法

單顆粒冷凍電子顯微鏡技術（SPA）已較為成熟。SPA可以得到較多純化獲得的重要蛋白質復合物的高分辨率三維結構，但冷凍制樣仍是SPA的瓶頸。其中，冷凍制樣導致的取向優勢問題是常見而難以解決的關鍵問題之一。重構過程需要來自各個方向的蛋白質投影，以覆蓋整個倒易空間。然而，吸附在氣液界面（AWI）上的蛋白質表現出取向優勢，導致投影數據集不完整。也就是說，傅里葉空間存在缺失分量，此時蛋白質密度會發生不同程度的畸變，致使重構失真。當前，科研人員發展了較多實驗方法來消除或者減少這個問題。而這些方法耗時、復雜，且不能保證成功。

近日，《科學進展》（Science Advances）在線發表了中國科學院生物物理研究所章新政研究組完成的題為Correction of preferred orientation-induced distortion in cryo-electron microscopy maps的研究論文。該研究提出了基于信噪比的迭代重構（SIRM）算法。與實驗方法不同，這一方法是純粹通過計算來消除或者減少三維重構的畸變。該方法需要去除具有取向優勢的數據集中的錯位顆粒；以此為基礎，基于傅里葉分量的信噪比進行傅里葉空間和實空間的雙空間約束迭代重建，校正三維重構的畸變，減少分辨率的各向異性。數據分析發現，該方法可以進一步提升具有取向優勢問題數據集的三維重構對中精度，進而提升三維重構分辨率。這一方法僅依靠計算算法，且成本低、操作簡單、原理清晰。

科研人員利用SIRM方法，對幾種帶有缺失錐的數據集進行處理。結果顯示，使用SIRM方法后的重建圖像在缺失錐方向上的分辨率得到提高，恢復了取向優勢帶來的密度畸變問題，并提升了分辨率。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、中國科學院基礎前沿科學研究計劃等的支持。

應用SIRM算法后（右圖）可以有效的緩解密度畸變（左圖）問題