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章新政课题组提出直接电子探测相机的新计数算法

日期:2022-04-12  浏览次数:375

来源:大屯路15号

直接电子探测相机的出现引领了冷冻电镜分辨率革命。目前常用的相机K2、K3、Falcon3、Falcon4等都为探测300keV电子进行优化。当探测能量较低的电子时,这些相机会损失信噪比,从而影响重构分辨率。近日,中国科学院生物物理研究所章新政研究员课题组在 Communications Biology 上发表论文,报道了一种新型的电子计数算法,能大幅度地提升现有相机探测低压电子的能力。

在研究中,研究人员通过分析一台Falcon3相机的原始数据,发现能量越低的电子激发出的像素数量越多,且对应的信噪比越差。据此研究人员提出了"Hybrid"算法。该算法通过对激发像素多的电子探测信号施加权重,成功地在120kV的单颗粒数据上取得了0.5倍奈奎斯特频率下20%、1.0倍奈奎斯特频率下80%的信噪比提升。在铁蛋白数据上,将分辨率从传统方法得到的3.39埃提升至2.87埃。同时,在200kV的单颗粒数据上取得了0.5倍奈奎斯特频率下8%、1.0倍奈奎斯特频率下21%的信噪比提升,并成功地突破了奈奎斯特频率限制。结合120kV的数据,研究人员估算了色差对低压成像的分辨率影响。结果表明,若消除色差,低压冷冻电镜对小蛋白的解析程度能达到甚至超过现有300kV电镜的水平。

综上所述,本研究系统地分析了直接电子探测相机探测低压电子的信噪比损失问题,提出了有效的电子计数算法,并显著提升了120kV下冷冻电镜探测小蛋白的能力。


图:使用Hybrid算法得到的重构分辨率对比传统的质心算法(MCF)


中国科学院生物物理研究所章新政研究员该论文的通讯作者。中国科学技术大学的朱东杰博士为该论文的第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s42003-022-03284-1

参考文献:

Dongjie Zhu, Huigang Shi, Chunling Wu & Xinzheng Zhang. An electron counting algorithm improves imaging of proteins with low-acceleration-voltage cryo-electron microscope. Communications Biology. 2022, 5:321