深度學習助力冷凍電鏡技術

2020-12-14 科學網

深度學習助力冷凍電鏡技術

作者：

小柯機器人

發布時間：2019/9/1 17:23:44

美國普渡大學Daisuke Kihara研究團隊利用深度學習技術，開發出能夠在中等解析度冷凍電鏡圖譜中檢測蛋白質二級結構的方法。該研究於2019年9月發表於國際一流學術期刊《自然—方法學》上。

研究人員報導了一種叫做Emap2sec的計算方法，它在解析度為5到10埃的EM圖中識別蛋白質的二級結構（α-螺旋、β-摺疊和其他結構）。Emap2sec使用三維深度卷積神經網絡為EM映射中的每個網格點分配二級結構。研究人員在解析度為6.0和10.0埃的34個結構模擬的EM圖上測試了Emap2sec，並在5.0到9.5埃解析度下通過實驗確定的43個圖上測試了Emap2sec。Emap2sec能夠在許多測試的圖譜中清楚地識別二級結構，並且表現出比現有方法更好的性能。

據了解，儘管現在通過冷凍電鏡（cryo-EM）可以常規地報導以近原子解析度的確定結構，但是仍以中等解析度確定許多密度圖，並且從這些圖提取結構信息仍然是一個挑戰。

附：英文原文

Title: Protein secondary structure detection in intermediate-resolution cryo-EM maps using deep learning

Author: Sai Raghavendra Maddhuri Venkata Subramaniya, Genki Terashi, Daisuke Kihara

Issue&Volume: Volume 16 Issue 9

Abstract: Although structures determined at near-atomic resolution are now routinely reported by cryo-electron microscopy (cryo-EM), many density maps are determined at an intermediate resolution, and extracting structure information from these maps is still a challenge. We report a computational method, Emap2sec, that identifies the secondary structures of proteins (α-helices, β-sheets and other structures) in EM maps at resolutions of between 5 and 10 Å. Emap2sec uses a three-dimensional deep convolutional neural network to assign secondary structure to each grid point in an EM map. We tested Emap2sec on EM maps simulated from 34 structures at resolutions of 6.0 and 10.0 Å, as well as on 43 maps determined experimentally at resolutions of between 5.0 and 9.5 Å. Emap2sec was able to clearly identify the secondary structures in many maps tested, and showed substantially better performance than existing methods.

DOI: 10.1038/s41592-019-0500-1

Source:https://www.nature.com/articles/s41592-019-0500-1

相關焦點

  • 【深度學習】從冷凍電鏡電子密度圖識別蛋白質二級結構
    ，但在2016至2018年期間上傳到電子顯微鏡資料庫（EMDB）的大分子結構中，有超過50%的結構的解析度是在5到10埃甚至更低，這些中等解析度的冷凍電鏡譜（EMmap）很難用於結構的從頭模建，比如對於蛋白質，5-8埃解析度的冷凍電鏡譜只能看到部分的二級結構，而難以知曉完整的主鏈。
  • 冷凍電鏡技術揭示生物分子細節(科技大觀)
    如今，科學家在透射電子顯微鏡之上發明了冷凍電鏡，實現了生物分子「近原子級」的解析度，讓人類終於可以一窺究竟生物分子是如何執行其功能。在過去幾年裡，冷凍電子顯微鏡技術逐漸成為結構生物學的重要研究工具。冷凍電鏡技術的三位先驅者，也憑藉對冷凍電鏡技術的開拓和持續推進，獲得了2017年的諾貝爾化學獎。
  • 中國科技大學:冷凍電鏡助力破譯大腦的分子密碼
    更進一步，冷凍電鏡技術使得我們可以直接觀察被快速冷凍固定（零下180°左右）在近生理狀態下的樣品。冷凍電鏡（CryoEM）技術的快速發展，一方面使得眾多通過分離純化後的蛋白質等生物大分子近原子分辨三維結構得以解析，正因為如此2017年諾貝爾化學獎頒發給三位冷凍電鏡技術的開拓者。
  • 5 篇 CNS 報導,業界傳奇冷凍電鏡技術新突破,如今首次捕獲生命的原子細節
    三年後，冷凍電鏡技術完成了劃時代的突破，首次達到了原子解析度。即利用該技術能清楚地看見大分子量蛋白三維結構的原子種類和分布。冷凍電鏡技術的突破，將不僅僅在結構生物學引起一場風暴，也將對相關研究領域起到重要的推動作用。
  • Megabodies助力單粒子冷凍電鏡揭示蛋白質結構
    Megabodies助力單粒子冷凍電鏡揭示蛋白質結構 作者：小柯機器人 發布時間：2021/1/7 14:42:23 比利時 VIB-VUB結構生物學中心Jan Steyaert和英國劍橋大學MRC分子生物學實驗室A.
  • 程亦凡談冷凍電鏡技術發展——訪美國加州大學舊金山分校副教授...
    那麼，冷凍電鏡技術的發展是否意味著X射線晶體學時代即將結束呢?在程亦凡看來，現在不會，將來也不會。　　他說：「就目前來說，雖然冷凍電鏡的解析度有了很大的提升，比如我們可以看清小分子與蛋白質間的結合位點，但還無法看清楚小分子和蛋白質是如何結合在一起的。這一點，冷凍電鏡和X射線晶體學技術相比還是有差距的。現在冷凍電鏡技術的發展已經引起做基礎研究的人的興趣，但製藥公司還在觀望當中。
  • 前瞻·共贏‖水木未來第二屆冷凍電鏡與藥物創新發現論壇
    · 水木未來全球首次將冷凍電鏡技術與AI算法結合，為基因藥企提供AAV空實比鑑定，克服傳統方法局限性。240餘位來自科研領域、醫藥投資圈、醫藥企業的專家齊聚一堂，就冷凍電鏡在小分子、抗體藥物、蛋白降解、基因治療等方面創新應用思路和實際案例，充分交流討論，為與會者提供了新思路、新手段和新方向。水木未來擁有亞太區第一個商業化冷凍電鏡服務平臺，作為創新藥物發現的賦能者和加速器，領跑冷凍電鏡技術及其細分賽道的應用和發展，助力藥物研發持續「高光時刻」。
  • 少年班90後解析：當冷凍電鏡邂逅材料科學
    【中國科大新創校友基金會(ID:USTCIF)，全球最活躍的科大校友組織，實時發布科大要聞與校友資訊】7月28日，ACS Nano發表史丹福大學崔屹（9312）實驗室綜述《Opportunities for Cryogenic Electron Microscopy in Materials Science and Nanoscience》，介紹了冷凍電鏡技術在多個新興材料領域中的應用和展望
  • 清華人物 | 王宏偉:冷凍電鏡下的為師之道
    王宏偉1992年考入清華大學生物科學與技術系。或許當時的他還未意識到，從那刻起他便與生物結下了不解之緣，並將在生命科學領域上下求索。2009年，在美國深造多年的王宏偉被耶魯大學聘為分子生物物理與生物化學系Tenure-Track助理教授，但正當在學術界開啟獨立研究生涯，科研事業處於上升期時，王宏偉做出了一個大膽決定：回國發展。「我一直希望能為祖國和母校作出貢獻。
  • 聚焦冷凍電鏡+人工智慧,「埃空間」要讓新藥研發更「簡單」
    隨著市場對原創靶蛋白需求的提高，以及硬體、算法軟體上的突破性進展，冷凍電鏡解析生物大分子的三維結構取得了質的飛躍，預計未來，冷凍電鏡+人工智慧將成為結構生物學和癌症藥物研發中的強大工具，深度參與藥物研發。36氪近期了解到的埃空間科技有限公司（下稱：埃空間）便是布局上述業務的一家企業。
  • 原子尺度上的追逐|專訪王宏偉:如何搶佔全球冷凍電鏡先機
    主要成果包括利用球差矯正冷凍電鏡和電壓相位板技術在過焦狀態下解析至近原子解析度蛋白結構、分子量52千道爾頓的鏈黴親和素蛋白的3.2埃解析度冷凍電鏡單顆粒三維重構、設計開發一種新型功能化石墨烯電鏡支撐膜用於冷凍電鏡高解析度三維結構解析等。
  • 借冷凍電鏡慧眼,看清細菌「天然免疫」細節
    利用冷凍電鏡技術，研究人員系統性解析了Type I R-M系統與靶標DNA及兩種噬菌體抑制蛋白（Ocr和ArdA）的多種生理構象的三維結構，並配合突變及生化分析，揭示了該系統的組裝、催化和調控機制。而此次的最新成果，則是他們團隊與章新政課題組合作，解析了該系統多個生理狀態下的冷凍電鏡結構。
  • JCIM | 計算模擬遇上冷凍電鏡
    內容簡介在過去的十年裡，冷凍電子顯微鏡， 簡稱冷凍電鏡（cryo-EM）已經成為結構生物學中一項非常有價值的技術(圖1)。由於儀器、樣品製備和圖像處理軟體的最新發展，cryo-EM現在已經達到原子級別的解析度（當解析度足夠高，便可以對蛋白質中大多數原子的獨特位置進行結構建模）。
  • 四川大學冷凍電鏡平臺招聘博士後、工作人員多名
    目前由於工作需要，冷凍電鏡中心誠聘相關工作人員，歡迎有冷凍電鏡領域相關工作經驗或有志於在冷凍電鏡領域發展的人才前來應聘，優秀人才可給予特殊待遇。 2、應聘人須具備生物、物理、材料或計算機等專業的博士學位，具有1-2年或以上冷凍電鏡使用操作經驗予以優先考慮。 3、參與冷凍電鏡技術的開發和應用研究。 4、工作積極主動、有責任心，具有良好的溝通能力，富有團隊協作精神和服務意識。能長期穩定工作，並能在近期上崗。
  • 冷凍電鏡首次觀察到單個原子—新聞—科學網
    去鐵蛋白的冷凍電鏡圖譜。圖片來源：Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology 冷凍電鏡產生了迄今為止最清晰的圖像，並且首次識別出了蛋白質中的單個原子。
  • 漲知識丨冷凍電鏡是什麼?為什麼能夠斬獲今年諾貝爾化學獎?
    隨後，蛋白質或複合蛋白結構解析領域諸多被稱為諾獎級的論文陸續發表，背後的利器正是冷凍電鏡，這項技術應用也正式迎來井噴式發展階段。2015年，國際著名期刊《自然》旗下子刊Nature Methods就將冷凍電鏡技術評為年度最受關注的技術。
  • 【學術前沿】畢國強團隊利用冷凍電鏡原位成像揭示抑制性突觸受體...
    冷凍電鏡（CryoEM）技術的快速發展，一方面使得眾多通過分離純化後的蛋白質等生物大分子近原子分辨三維結構得以解析，另一方面，基於最新的冷凍電鏡斷層三維成像技術（CryoET）能夠對保存在近生理狀態下細胞和組織樣本進行納米解析度的三維成像，為在神經突觸及其它細胞區室中原位解析蛋白質分子結構和組織架構帶來了新的契機。
  • 冷凍電鏡首次捕獲生命的原子細節,Nature稱讚打開全新宇宙
    冷凍電鏡作為一種能幫助我們探尋生命微觀奧秘的有力技術，在激蕩中，已然走過 40 年時光，步入了看清原子的時代。看清原子，冷凍電鏡打開了新宇宙2020 年 6 月 3 日，Nature 在線發表了題為：它打開了一個全新的宇宙：革命性的顯微鏡技術首次看到了「單個原子」的在線報導，濃墨重彩地介紹了冷凍電鏡在分辨上的重大突破。
  • 水木未來第二屆冷凍電鏡與藥物創新發現論壇在京召開
    前沿技術如何快速賦能產業？近日，第二屆水木未來冷凍電鏡與藥物發現論壇在北京舉行，會議圍繞新藥研發的機遇與挑戰，匯聚行業專家，就新技術在創新藥領域應用場景及新機會深入探討。在開場致辭中，王宏偉教授表示：「從2015年開始，整個冷凍電鏡技術發生了突飛猛進的變化，為生物大分子結構研究帶來了更多的可能，許多困擾若干分子或複合物相互作用、相互影響，深入再深入地理解生命本質的難題一步步被解開。」
  • 我國科學家拓展冷凍電鏡解析生物大分子結構的分辨極限
    冷凍電鏡（cryo-EM）單顆粒分析技術已經成為結構生物學眾多結構解析方法中異軍突起的一支，在膜蛋白的結構解析中更是發揮著與日俱增的作用。目前的冷凍電鏡單顆粒技術已經能較容易地將分子量大於300千道爾頓且生化性質穩定的蛋白質解析至近原子解析度（約3 埃水平）。但由於小分子量蛋白質（一般為小於200千道爾頓）顆粒在冷凍樣品中襯度不足等原因，小分子量蛋白質的高分辨解析工作對目前的技術手段而言仍然是很大的挑戰。