Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из реконструкции одиночной частицы )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Анализ отдельных частиц сегментирует и усредняет множество частиц из образца, что позволяет компьютерным алгоритмам преобразовывать отдельные изображения в комбинированное «репрезентативное» изображение. Это позволяет улучшить соотношение сигнал / шум и может быть объединено с деконволюцией для обеспечения ограниченного улучшения пространственного разрешения изображения.

Анализ отдельных частиц - это группа связанных компьютерных методов обработки изображений, используемых для анализа изображений просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). [1] Эти методы были разработаны для улучшения и расширения информации, получаемой из изображений ПЭМ образцов твердых частиц, обычно белков или других крупных биологических объектов, таких как вирусы . Отдельные изображения окрашенных или неокрашенных частиц очень зашумлены , и их трудно интерпретировать. Объединение нескольких оцифрованных изображений похожих частиц вместе дает изображение с более сильными и более легко интерпретируемыми характеристиками. Расширение этого метода использует методы отдельных частиц для построения трехмерной реконструкции.частицы. С помощью криоэлектронной микроскопии стало возможным создавать реконструкции с субнанометровым разрешением и разрешением, близким к атомному [2] [3], сначала в случае высокосимметричных вирусов, а теперь и для более мелких асимметричных белков. [4] Анализ отдельных частиц также можно выполнить с помощью ICP-MS.

Методы [ править ]

Анализ отдельных частиц может быть выполнен как на отрицательно окрашенных, так и на залитых льдом образцах CryoTEM из стекловидного тела . Методы анализа отдельных частиц, как правило, зависят от однородности образца, хотя методы устранения конформационной неоднородности в настоящее время разрабатываются.

Изображения (микрофотографии), в прошлом собираемые на пленку, оцифровываются с использованием высококачественных сканеров или встроенных детекторов CCD , соединенных с фосфоресцентным слоем. Сейчас для сбора изображений принято использовать прямые детекторы электронов. Обработка изображений осуществляется с помощью специализированных программ (например, [5] ), часто выполняемых на многопроцессорных компьютерных кластерах . В зависимости от образца или желаемых результатов могут быть выполнены различные этапы двух- или трехмерной обработки. Кроме того, анализ отдельных частиц также может выполняться в режиме отдельных частиц с использованием блока ICP-MS.

Выравнивание и классификация [ править ]

Биологические образцы, и особенно образцы, заключенные в тонкий стекловидный лед , очень чувствительны к радиации, поэтому для визуализации образца можно использовать только низкие дозы электронов. Эта низкая доза, а также вариации в используемом металлическом пятне (если оно используется) означает, что изображения имеют высокий уровень шума по сравнению с сигналом наблюдаемой частицы. Путем совмещения нескольких похожих изображений друг с другом так, чтобы они совпадали, а затем их усреднения, можно получить изображение с более высоким отношением сигнал / шум . Поскольку шум в основном распределен случайным образом, а основные характеристики изображения постоянны, путем усреднения интенсивности каждого пикселя по нескольким изображениям усиливаются только постоянные характеристики. Как правило, оптимальное выравнивание ( переводи вращение в плоскости) для сопоставления одного изображения с другим вычисляется взаимной корреляцией .

Однако микрофотография часто содержит частицы в нескольких различных ориентациях и / или формах, и поэтому для получения более репрезентативных средних значений изображений требуется метод, позволяющий группировать похожие изображения частиц вместе в несколько наборов. Обычно это выполняется с использованием одного из нескольких алгоритмов анализа данных и классификации изображений, таких как многомерный статистический анализ и иерархическая восходящая классификация или кластеризация k- средних .

Часто используются наборы данных, состоящие из десятков тысяч изображений частиц, и для достижения оптимального решения используется итеративная процедура выравнивания и классификации, при которой сильные средние значения изображений, полученные в результате классификации, используются в качестве эталонных изображений для последующего выравнивания всего набора данных. .

Фильтрация изображений [ править ]

Фильтрация изображений ( полосовая фильтрация ) часто используется для уменьшения влияния информации о высокой и / или низкой пространственной частоте в изображениях, которая может повлиять на результаты процедур выравнивания и классификации. Это особенно полезно для изображений с негативными пятнами . Алгоритмы используют быстрое преобразование Фурье ( БПФ ), часто используя гауссовские маски с мягкими краями в обратном пространстве для подавления определенных частотных диапазонов. Фильтры верхних частот удаляют низкие пространственные частоты (например, эффекты линейного изменения или градиента), оставляя высокие частоты нетронутыми. Фильтры нижних частот удаляют высокочастотные пространственные характеристики и размывают мелкие детали.

Функция передачи контраста [ править ]

Из - за природы формирования изображения в электронном микроскопе, ярко-полевые изображения ПЭХ получены с использованием значительной дефокусировки . Это, наряду с особенностями, присущими системе линз микроскопа, создает размытие собранных изображений, видимое как функция рассеяния точки . Комбинированные эффекты условий визуализации известны как функция передачи контраста (CTF) и могут быть аппроксимированы математически как функция в обратном пространстве. Специализированные методы обработки изображений, такие как переворот фазы и коррекция амплитуды / фильтрация Винера, могут (по крайней мере частично [6] ) корректировать CTF и обеспечивать реконструкцию с высоким разрешением.

Трехмерная реконструкция [ править ]

Изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии, представляют собой проекции объекта, показывающие распределение плотности через объект, аналогичные медицинским рентгеновским лучам. Используя теорему о проекции-срезе, можно создать трехмерную реконструкцию объекта путем комбинирования множества изображений (2D-проекций) объекта, снятых с разных углов обзора. В идеале белки в стекловидном льду принимают случайное распределение ориентаций (или углов обзора), что позволяет производить довольно изотропную реконструкцию, если используется большое количество изображений частиц. Это контрастирует с электронной томографией , где углы обзора ограничены из-за геометрии образца / настройки изображения, что дает анизотропную реконструкцию.Обратная проекция с фильтром - это широко используемый метод создания трехмерных реконструкций при анализе отдельных частиц, хотя существует множество альтернативных алгоритмов. [3]

Перед реконструкцией необходимо оценить ориентацию объекта на каждом изображении. Было разработано несколько методов для определения относительных углов Эйлера каждого изображения. Некоторые из них основаны на общих линиях (общие одномерные проекции и синограммы ), другие используют алгоритмы итеративного сопоставления проекций. Последний работает, начиная с простой начальной 3D-модели с низким разрешением, сравнивает экспериментальные изображения с проекциями модели и создает новую 3D-модель для начальной загрузки решения.

Также доступны методы для создания трехмерных реконструкций спиральных образцов (например, вируса табачной мозаики ), использующие присущую им спиральную симметрию . Для этих образцов можно использовать как методы реального пространства (рассмотрение участков спирали как отдельных частиц), так и методы обратного пространства (с использованием дифракционных картин).

Методы наклона [ править ]

Предметный столик микроскопа можно наклонять (обычно вдоль одной оси), что позволяет использовать метод одиночных частиц, известный как случайный конический наклон. [7] Область образца отображается как под нулевым, так и под большим углом (~ 60-70 градусов) наклона, или, в случае родственного метода реконструкции ортогонального наклона , +45 и -45 градусов. Выбираются пары частиц, соответствующие одному и тому же объекту при двух разных наклонах (пары наклона), и, следуя параметрам, используемым на последующих этапах выравнивания и классификации, можно относительно легко создать трехмерную реконструкцию. Это связано с тем, что угол обзора (определяемый как три угла Эйлера ) каждой частицы известен из геометрии наклона.

Трехмерные реконструкции по случайному наклону конуса страдают от потери информации из-за ограниченного диапазона ориентаций. Известный как отсутствующий конус (из-за формы в обратном пространстве), он вызывает искажения на 3D-картах. Однако проблему отсутствия конуса часто можно решить, комбинируя несколько реконструкций наклона. Наклон метода лучше всего подходит для отрицательно окрашенных образцов, и может быть использована для частиц , которые адсорбируют на углеродном носитель пленку в предпочтительной ориентации. Явление, известное как зарядка или движение под действием луча, затрудняет сбор изображений образцов под большим наклоном в стекловидном льду.

Визуализация и подгонка карты [ править ]

Доступны различные программы , позволяющие просматривать 3D-карты. Они часто позволяют пользователю вручную стыковать белковые координаты (структуры из рентгеновской кристаллографии или ЯМР) субъединиц с электронной плотностью. Некоторые программы также могут соответствовать подсистемам с точки зрения вычислений.

ИСП-МС одиночных частиц [ править ]

SP-ICP-MS (сопряженная плазменно-масс-спектроскопия, индуцированная отдельными частицами) используется в нескольких областях, где есть возможность обнаружения и количественного определения взвешенных частиц в пробах жидкостей окружающей среды, оценки их миграции, оценки размера частиц и их распределения. , а также определение их устойчивости в данной среде. Масс-спектроскопия одиночных частиц с индуктивно связанной плазмой (SP ICP-MS) была разработана для суспензий частиц в 2000 году Клодом Дегельдре. Он впервые протестировал эту новую методологию в Институте Фореля Женевского университета и представил этот новый аналитический подход на симпозиуме «Коллоид 2оо2» во время весенней встречи EMRS 2002 г. и в протоколах в 2003 г. [ [8]]. В этом исследовании представлена ​​теория SP ICP-MS и результаты испытаний, проведенных на частицах глины (монтмориллонит), а также на других суспензиях коллоидов. Затем этот метод был протестирован на наночастицах диоксида тория Degueldre & Favarger (2004), [ [9] ] диоксиде циркония Degueldre et al (2004) [ [10] ] и наночастицах золота, которые используются в качестве субстрата в нанофармацевтике, и опубликовано Degueldre и др. (2006). [ [11] ] Впоследствии исследование нано- и микрочастиц диоксида урана привело к появлению подробной публикации Ref. Degueldre et al (2006) [ [12] ] С 2010 года резко возрос интерес к SP ICP-MS.

Примеры [ править ]

  • Важная информация о синтезе белка, связывании лиганда и взаимодействии РНК может быть получена с помощью этого нового метода при среднем разрешении от 7,5 до 25 Å. [13]
  • Methanococcus maripaludis шаперонина, [14] реконструирована до 0,43 нанометрового разрешения. [15] Этот бактериальный белковый комплекс представляет собой машину для сворачивания других белков, которые попадают в оболочку.
  • Синтаза жирных кислот [16] из дрожжей с разрешением 0,59 нанометра. [17] Этот огромный ферментный комплекс отвечает за образование длинноцепочечных жирных кислот, необходимых для клеточной жизни.
  • Реконструкция Aquareovirus размером 0,33 нанометра . [18] [19] Эти вирусы заражают рыб и других водных животных. Реконструкция имеет достаточно высокое разрешение, чтобы можно было легко увидеть плотности боковых цепей аминокислот.

Первичная база данных [ править ]

  • Банк данных EM ( EM Data Bank )

Ссылки [ править ]

  1. ^ Франк, Иоахим (2006). Трехмерная электронная микроскопия макромолекулярных ансамблей: визуализация биологических молекул в их естественном состоянии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-518218-7.[ требуется страница ]
  2. ^ Чжоу ZH (апрель 2008). «К атомному разрешению структурного определения с помощью одночастичной криоэлектронной микроскопии» . Текущее мнение в структурной биологии . 18 (2): 218–28. DOI : 10.1016 / j.sbi.2008.03.004 . PMC 2714865 . PMID 18403197 .  
  3. ^ a b Wang Q, Matsui T, Domitrovic T, Zheng Y, Doerschuk PC, Johnson JE (март 2013 г.). «Динамика крио-ЭМ реконструкций, визуализированная с помощью карт дисперсии максимального правдоподобия» . Журнал структурной биологии . 181 (3): 195–206. DOI : 10.1016 / j.jsb.2012.11.005 . PMC 3870017 . PMID 23246781 .  
  4. ^ Бартесаги, Альберто; Мерк, Алан; Банерджи, Суджай; Мэттис, Дорин; У, Сюнву; Милн, Жаклин LS; Субраманиам, Шрирам (05.06.2015). «Структура CryoTEM с разрешением 2,2 Å β-галактозидазы в комплексе с ингибитором проницаемости клеток» . Наука . 348 (6239): 1147–1151. Bibcode : 2015Sci ... 348.1147B . DOI : 10.1126 / science.aab1576 . ISSN 1095-9203 . PMC 6512338 . PMID 25953817 .   
  5. ^ "送 彩 金 38 满 100 提 现 _ 无需 申请 自动 送 彩 金 【官 网】" .
  6. ^ Даунинг KH, Glaeser RM (август 2008). «Восстановление слабых фазово-контрастных изображений, записанных с высокой степенью расфокусировки: проблема« двойного изображения », связанная с коррекцией CTF» . Ультрамикроскопия . 108 (9): 921–8. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2008.03.004 . PMC 2694513 . PMID 18508199 .  
  7. ^ Радермахер М, Вагенкнехт Т, Версхор А, Франк Дж (май 1987). «Трехмерная реконструкция из серии случайных конических наклонов с однократной экспозицией, примененной к 50S рибосомной субъединице Escherichia coli» . Журнал микроскопии . 146 (Pt 2): 113–36. DOI : 10.1111 / j.1365-2818.1987.tb01333.x . PMID 3302267 . 
  8. ^ C. Degueldre & P. ​​-Y. Фаваржер, «Коллоидный анализ методом масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой одиночных частиц: технико-экономическое обоснование», Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты, симпозиум C весеннего собрания E-MRS 2002 в Страсбурге, Франция, т. 217, № 1, 28 апреля 2003 г., стр. 137–142 (ISSN 0927-7757, DOI 10.1016 / S0927-7757 (02) 00568-X)
  9. ^ C Degueldre et P. -Y Favarger, «Коллоидный анализ тория с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с одиночными частицами», Talanta, vol. 62, № 5, 19 апреля 2004 г., стр. 1051–1054 (ISSN 0039-9140, DOI 10.1016 / j.talanta.2003.10.016)
  10. ^ С. Degueldre, П. -Y. Favarger et C. Bitea, «Коллоидный анализ диоксида циркония методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с одиночными частицами», Analytica Chimica Acta, vol. 518, № 1, 2 аоûт 2004 г., стр. 137–142 (ISSN 0003-2670, DOI 10.1016 / j.aca.2004.04.015)
  11. ^ С. Degueldre, П. -Y. Фаваргер и С. Уолд, «Коллоидный анализ золота с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в режиме одиночных частиц», Analytica Chimica Acta, vol. 555, № 2, 12 января 2006 г., стр. 263–268 (ISSN 0003-2670, DOI 10.1016 / j.aca.2005.09.021)
  12. ^ С. Degueldre, П. -Y. Фаваржер, Р. Россе и С. Волд, «Коллоидный анализ урана с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с одиночными частицами», Таланта, т. 68, № 3, 15 января 2006 г., стр. 623–628 (ISSN 0039-9140, DOI 10.1016 / j.talanta.2005.05.006, г.
  13. ^ Arias-Паломо E, Recuero-Чека М.А., Бустело XR, Llorca O (декабрь 2007). «Трехмерная структура Syk киназы, определенная с помощью одночастичной электронной микроскопии» . Биохим. Биофиз. Acta . 1774 (12): 1493–9. DOI : 10.1016 / j.bbapap.2007.10.008 . PMC 2186377 . PMID 18021750 .  
  14. ^ Японский банк данных белков http://www.pdbj.org/emnavi/emnavi_movie.php?id=5137
  15. ^ Zhang J, Baker ML, Schröder GF и др. (Январь 2010 г.). «Механизм закрытия складной камеры в шаперонине II группы» . Природа . 463 (7279): 379–83. Bibcode : 2010Natur.463..379Z . DOI : 10,1038 / природа08701 . PMC 2834796 . PMID 20090755 .  
  16. ^ Японский банк данных белков http://www.pdbj.org/emnavi/emnavi_movie.php?id=1623
  17. ^ Гипсон Р, Миллс ди - джей, Wouts R, Grininger М, Vonck Дж, Kühlbrandt Вт (май 2010 г.). «Прямое структурное понимание механизма перемещения субстрата дрожжевой жирнокислотной синтазы с помощью электронной криомикроскопии» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (20): 9164–9. Bibcode : 2010PNAS..107.9164G . DOI : 10.1073 / pnas.0913547107 . PMC 2889056 . PMID 20231485 .  
  18. ^ Японский банк данных белков http://www.pdbj.org/emnavi/emnavi_movie.php?id=5160
  19. ↑ Zhang X, Jin L, Fang Q, Hui WH, Zhou ZH (апрель 2010 г.). «3.3 Крио-ЭМ структура вируса без оболочки выявляет механизм прайминга для входа в клетки» . Cell . 141 (3): 472–82. DOI : 10.1016 / j.cell.2010.03.041 . PMC 3422562 . PMID 20398923 .  

Внешние ссылки [ править ]

Ресурсы библиотеки по
анализу отдельных частиц
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках