一种基于预测结构的单颗粒衍射成像重构算法

科技
2024-06-28
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来源:物理研究所

21世纪生命科学迅猛发展,对生物大分子的结构研究在世界各地兴起,冷冻电镜是个当仁不让的先锋,而自由电子激光衍射分析则是责无旁贷的主力军。X射线自由电子激光作为第四代光源的代表,具有超短脉冲、超高亮度等特点,能够适用于常温常压下生物大分子颗粒动态过程的研究,在接近真实的环境下,探究生命的奥秘。然而,由于单颗粒衍射数据存在信噪比低、衍射图数量少、低分辨率数据缺失等问题,数据处理和结构解析仍存在严峻的挑战,国内在该领域的研究工作,尚处于起步阶段。   

近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室SM6组的丁玮研究团队与高能物理所耿直工程师合作,以博士生焦志超为主要研发力量,提出了一种基于预测结构的单颗粒衍射成像重构算法。该算法在传统重构算法的基础上,引入了蛋白质分子的预测结构,作为单颗粒衍射取向解析和相位恢复的初始三维强度和相位,并利用迭代算法优化衍射图取向和三维衍射强度的相位,直至收敛。测试结果表明,该算法能够大幅提升取向解析和相位恢复算法的收敛速度,并显著提高信噪比低、数量少、低分辨率数据缺失严重等困难数据的结构解析成功率。该算法的理论分析与代码实现完全由国内科学家独立完成,具有核心的知识产权,填补了国内在该领域的技术空白。

这一成果近期以“A predicted model-aided reconstruction algorithm for X-ray free-electron laser single-particle imaging”为题,发表在IUCrJ期刊上。物理所为第一完成单位,丁玮工程师和耿直工程师为本文的通讯作者,博士生焦志超为本文的第一作者,参与工作的还有纽约大学阿布扎比分校科学家何尧、物理所博士生付兴科和香港大学博士生张鑫,此外物理所博士生王宾堂、程渊淏和李增茹参与了该工作的讨论。该工作获得了国家自然科学基金和中国科学院的支持。

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