当前位置:首页 >> 学术资讯 >> 科研信息

清华大学生命学院和电子系合作开发冷冻电子断层成像多层重建方法

2025/09/05

文章导读
你是否知道,一串反折条纹竟可能隐藏着细胞结构解析的重大瓶颈?清华大学团队最新突破性成果——MUST多层重建法,首次实现傅里叶空间与实空间并行融合的冷冻电镜断层成像,不仅彻底消除传统方法中的混叠伪影,更大幅提升重建效率与分辨率。这项颠覆性技术如何破解长期困扰领域的离焦梯度难题?其背后隐藏着怎样的计算架构创新?揭秘高精度原位结构生物学的新起点。
— 内容由好学术AI分析文章内容生成,仅供参考。

冷冻电子断层成像(cryo-electron tomography, cryoET)技术可以观察细胞中生物大分子的原位结构,近年来受到广泛关注。在cryoET的数据处理流程中,高质量的三维断层重建(tomogram reconstruction)对于展现样品整体形貌以及后续的子断层平均(subtomogram averaging)十分重要。虽然许多图像处理步骤都是在傅里叶空间(Fourier space)中进行的,但是由于断层重构的密度图(tomogram)尺寸非常大,实现基于傅里叶空间的重建依然存在挑战。因此,目前三维断层重建的常用方法仍为实空间(real space)方法,如加权背投影(weightedback-projection, WBP)、同步迭代重建技术(simultaneous iterative reconstruction technique, SIRT)等。

近日,清华大学生命学院李雪明副教授课题组和电子系沈渊教授课题组联合在《超显微镜Ultramicroscopy在线发表题为“基于傅里叶空间的冷冻电子断层成像多层重建方法”(Fourier-based multiple-slice reconstruction in cryo-electron tomography)的研究论文。论文报道了一种基于傅里叶空间的冷冻电子断层成像三维断层重建方法MUST(MUltiple Slice Technique,图1)。该方法将三维重构密度图看作是由一系列平行平面层(parallel slice,PS)组成的,通过逐层独立计算的方法来合成最后的三维图像。而对于一个平行平面层的计算是通过在傅里叶空间按像素列投影计算得到的。由于像素列的计算是互相独立的,可以实现像素级的并行计算。由此形成实空间平面级并行与傅里叶空间像素级并行的两级并行架构,可大幅提升重建效率。通过对傅里叶空间中频点的相应加权操作,MUST可以获得与基于实空间的WBP和SIRT方法衬度相似的重构结果(图2)。研究团队同时发现,在考虑样品离焦量梯度(defocus gradient)的三维衬度传递函数校正(three-dimensional contrast transfer functioncorrection,3D-CTF correction)中,傅里叶空间中的平面状的中心截面会劈裂为一对中心共轭抛物面(pairs of conjugate central paraboloids, PCCP)。

清华大学生命学院和电子系合作开发冷冻电子断层成像多层重建方法

图1.MUST算法流程图

清华大学生命学院和电子系合作开发冷冻电子断层成像多层重建方法

图2.MUST与实空间重建方法的重构结果对比

测试表明,MUST可以实现无混叠重建,消除了由于实空间重建方法的插值误差所引入的反折条纹,以及由于实空间三维衬度传递函数校正对于离焦量梯度的离散化所引入的条纹(图3)。进一步的子断层平均实验表明,MUST通过消除傅里叶空间中的混叠,相比实空间重建方法可以获得更高分辨率的蛋白质重构结果(图4)。

清华大学生命学院和电子系合作开发冷冻电子断层成像多层重建方法

图3.重构密度图截面功率谱对比。(A-D)MUST;(E-H)NovaCTF

清华大学生命学院和电子系合作开发冷冻电子断层成像多层重建方法

图4.子断层平均结果对

清华大学生命学院副教授李雪明电子系教授沈渊为论文共同通讯作者。清华大学生命学院联合培养的电子系2020级博士生张冉颢为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金委、生命科学联合中心、北京生物结构前沿研究中心等的资金支持,并得到国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地的设施支持。


版权声明:
文章来源清华大学,分享只为学术交流,如涉及侵权问题请联系我们,我们将及时修改或删除。

相关学术资讯
近期会议

2026年智慧教育与数据挖掘国际学术会议(SEDM 2026)(2026-06-27)

2026仪器仪表、先进材料与智能制造国际会议(ICIAMIM 2026)(2026-07-02)

2026年第五届机器学习、云计算与智能挖掘国际会议(2026-07-10)

2026年IEEE第三届先进机器人, 自动化工程与机器学习国际会议(ARAEML 2026)(2026-07-24)

第六届互联网技术与教育信息化国际学术会议 (ITEI 2026)(2026-07-24)

第五届航空航天工程与系统国际研讨会(ISAES 2026)(2026-07-24)

第十届教育、管理与社会科学国际学术会议 (ISEMSS 2026)(2026-07-24)

第六届电气工程与机电一体化技术国际学术会议(ICEEMT 2026)(2026-07-24)

第五届能源与电力系统国际学术会议 (ICEEPS 2026)(2026-07-24)

第九届声学、振动、噪声控制国际研讨会(CAVNC 2026)(2026-08-07)

2026年生物信息学、计算智能与健康大数据国际会议(ICBHD 2026)(2026-8-3)

2026年水利工程、电力系统与新能源国际会议(WCEPSNE 2026)(2026-7-26)

2026年形状记忆合金、智能材料与自修复材料国际学术会议(SMSAS 2026)(2026-8-15)

2026年航空航天、空间探索与天文学国际学术会议(ICASEA 2026)(2026-8-10)

2026年体育科学、教育与人文发展国际会议(ICSSEHD 2026)(2026-7-15)

2026年生物力学、可穿戴设备与智能仿生国际会议(ICBWDIB 2026)(2026-6-27)

2026年第四届计算机与自动化国际会议 (CompAuto 2026)(2026-9-10)

2026年量子计算、大数据处理与云计算架构国际会议(QCBDPCCA 2026)(2026-7-25)

2026年航海技术与船舶、海洋工程国际会议(ICSMENT 2026)(2026-7-30)

2026年水污染治理、污水处理与水资源再生国际会议(WPCWTWR 2026)(2026-8-15)

小贴士:学术会议云是学术会议查询检索的第三方门户网站。它是会议组织发布会议信息、众多学术爱好者参加会议、找会议的双向交流平台。它可提供国内外学术会议信息预报、分类检索、在线报名、论文征集、资料发布以及了解学术资讯,查找会服机构等服务,支持PC、微信、APP,三媒联动。
综合推荐区