生物物理所提出消除取向优势问题的冷冻电镜三维重构新算法

单颗粒冷冻电子显微镜技术（SPA）已较为成熟。SPA可以得到较多纯化获得的重要蛋白质复合物的高分辨率三维结构，但冷冻制样仍是SPA的瓶颈。其中，冷冻制样导致的取向优势问题是常见而难以解决的关键问题之一。重构过程需要来自各个方向的蛋白质投影，以覆盖整个倒易空间。然而，吸附在气液界面（AWI）上的蛋白质表现出取向优势，导致投影数据集不完整。也就是说，傅里叶空间存在缺失分量，此时蛋白质密度会发生不同程度的畸变，致使重构失真。当前，科研人员发展了较多实验方法来消除或者减少这个问题。而这些方法耗时、复杂，且不能保证成功。

近日，《科学进展》（Science Advances）在线发表了中国科学院生物物理研究所章新政研究组完成的题为Correction of preferred orientation-induced distortion in cryo-electron microscopy maps的研究论文。该研究提出了基于信噪比的迭代重构（SIRM）算法。与实验方法不同，这一方法是纯粹通过计算来消除或者减少三维重构的畸变。该方法需要去除具有取向优势的数据集中的错位颗粒；以此为基础，基于傅里叶分量的信噪比进行傅里叶空间和实空间的双空间约束迭代重建，校正三维重构的畸变，减少分辨率的各向异性。数据分析发现，该方法可以进一步提升具有取向优势问题数据集的三维重构对中精度，进而提升三维重构分辨率。这一方法仅依靠计算算法，且成本低、操作简单、原理清晰。

科研人员利用SIRM方法，对几种带有缺失锥的数据集进行处理。结果显示，使用SIRM方法后的重建图像在缺失锥方向上的分辨率得到提高，恢复了取向优势带来的密度畸变问题，并提升了分辨率。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院基础前沿科学研究计划等的支持。

应用SIRM算法后（右图）可以有效的缓解密度畸变（左图）问题