Nous avons tous vu ce minute dans une émission de télévision policière où un détective examine des images de sécurité granuleuses et à basse résolution, repère une personne d'intérêt sur la bande et demande nonchalamment à un technicien CSI de « l'améliorer ». Quelques clics de clavier additionally tard, et voilà – ils ont une impression parfaite et claire du visage du suspect. Cela, bien sûr, ne fonctionne pas dans le monde réel, comme de nombreux critiques de cinéma et personnes sur World wide web aiment le souligner.




Cependant, des scientifiques de la vie réelle ont récemment mis au place un véritable outil « d'amélioration »: un outil qui améliore la résolution et la précision de puissants microscopes utilisés pour révéler des informations sur la biologie et la médecine.

Dans une étude publiée dans Nature Strategies, une équipe multi-institutionnelle dirigée par Tom Terwilliger du New Mexico Consortium et comprenant des chercheurs du Lawrence Berkeley Countrywide Laboratory (Berkeley Lab) démontre comment un nouvel algorithme informatique améliore la qualité des cartes de construction moléculaire 3D générées avec la microscopie cryoélectronique (cryo-EM).




Pendant des décennies, ces cartes cryo-EM – générées en prenant de nombreuses images de microscopie et en appliquant un logiciel de traitement d'images – ont été un outil essential pour les chercheurs cherchant à apprendre comment les molécules des animaux, des plantes, des microbes et des virus fonctionnent. Et ces dernières années, la technologie cryo-EM a évolué au place qu'elle peut produire des constructions avec une résolution de niveau atomique pour de nombreux types de molécules. Pourtant, dans certaines scenarios, même les méthodes cryo-EM les plus sophistiquées génèrent toujours des cartes avec une résolution furthermore faible et une as well as grande incertitude que nécessaire pour démêler les détails de réactions chimiques complexes.

« En biologie, nous gagnons tellement à connaître la structure d'une molécule », a déclaré le co-auteur de l'étude Paul Adams, directeur de la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée au Berkeley Lab. « Les améliorations que nous constatons avec cet algorithme permettront aux chercheurs de déterminer in addition facilement des modèles structurels atomistiques à partir des données de cryo-microscopie électronique. Ceci est particulièrement vital pour la modélisation de molécules biologiques très importantes, telles que celles impliquées dans la transcription et la traduction du code génétique, qui ne sont souvent visibles que sur les cartes à basse résolution en raison de leurs structures complexes et complexes à plusieurs unités.  »

L'algorithme affine les cartes moléculaires en filtrant les données en fonction des connaissances existantes sur l'apparence des molécules et la meilleure façon d'estimer et d'éliminer le bruit (données indésirables et non pertinentes) dans les données de microscopie. Une approche reposant sur la même foundation théorique était auparavant utilisée pour améliorer les cartes de framework générées à partir de la cristallographie aux rayons X, et les scientifiques ont déjà proposé son utilisation dans la cryo-EM. Mais, selon Adams, personne n'avait pu montrer de preuves définitives que cela fonctionnait pour la cryo-EM jusqu'à présent.

L'équipe – composée de scientifiques du New Mexico Consortium, du Los Alamos National Laboratory, du Baylor University of Medication, de l'Université de Cambridge et du Berkeley Lab – a d'abord appliqué l'algorithme à une carte obtainable au public de la protéine humaine apoferritine connue pour avoir 3,1 -Résolution angström (un angström est égal à 10 milliardième de mètre pour référence, le diamètre d'un atome de carbone est estimé à 2 angströms). Ensuite, ils ont comparé leur variation améliorée à une autre carte de référence d'apoferritine disponible au general public avec une résolution de 1,8 angström et ont trouvé une corrélation améliorée entre les deux.

Ensuite, l'équipe a utilisé son approche sur 104 ensembles de données cartographiques de la banque de données de microscopie électronique. Pour une grande partie de ces ensembles de cartes, l'algorithme a amélioré la corrélation entre la carte expérimentale et la construction atomique connue, et augmenté la visibilité des détails.

Les auteurs notent que les avantages évidents de l'algorithme en révélant des détails importants dans les données, combinés à sa facilité d'utilisation – il s'agit d'une analyse automatisée pouvant être effectuée sur un processeur d'ordinateur transportable – en feront probablement partie d'une pièce common. du flux de travail cryo-EM à l'avenir. En fait, Adams a déjà ajouté le code supply de l'algorithme à la suite logicielle Phenix, un package populaire pour une resolution de composition macromoléculaire automatisée pour laquelle il dirige l'équipe de développement.

Cette recherche faisait partie des attempts continus de Berkeley Lab pour faire progresser les capacités de la technologie cryo-EM et pour être le pionnier de son utilisation pour les découvertes scientifiques fondamentales. De nombreuses inventions révolutionnaires qui ont permis le développement de la cryo-EM et l'ont poussée furthermore tard à sa résolution actuelle exceptionnelle ont impliqué des scientifiques du Berkeley Lab.