面向典型疾病的高精度生物大分子三维结构研究

Three-dimensional (3D) reconstruction of cryo-electron microscopy imaging has been a leading technique in analyzing 3D structures of biomacromolecules. However, current techniques for 3D reconstruction of cryo-electron microscopic imaging, and the corresponding visualization techniques, have the limitations in both their processing speed and the accuracy of the reconstructed structures. As larger and larger amount of biological data produced from cryo-electron microscopy, techniques and systems that can efficiently process T-level cryo-electron microscopic data, including data preprocessing, 3-D reconstruction, and real-time visualization, are urgently demanded. This project will conduct research on the following topics: (1) Algorithms for single particle analysis and electron tomography 3-D reconstruction with more efficiency and more accuracy. (2) Efficient visualization techniques for T-level data of 3-D reconstruction. (3) Tianhe-2 supercomputer system structure oriented parallel processing techniques for large scale cryo-electron microscopic data. (4) Construction of a software system on Tianhe-2 system for large scale cryoelectronic microscopy data processing, 3-D reconstruction, and visualization. Our objective is to provide efficient techniques and convenient software tools for scientists for their research on biomacromoleclar structures.

冷冻电镜图像三维重构是研究生物大分子三维结构的前沿技术,其产生的大规模、大尺度图像数据需要高精度、高效率的算法进行处理。但是目前冷冻电镜三维重构技术存在如下缺陷：1)缺乏面向大规模冷冻电镜图像的高精度单颗粒重构算法；2)缺乏面向大尺度冷冻电镜图像的高效电子断层三维重构算法；3)缺乏针对生物大分子冷冻电镜三维重构可视化分析工具；4)缺乏处理大规模、大尺度的生物大分子冷冻电镜数据的高效并行处理技术。针对上述问题,本项目将从五个方面对冷冻电镜图像三维重构开展研究：1)研究面向大规模的冷冻电镜图像单颗粒重构算法；2)研究面向大尺度的冷冻电镜图像电子断层重构算法；3)研究能够对T级冷冻电镜重构结果可视化分析技术；4)研究基于“天河二号”的大规模、大尺度生物大分子冷冻电镜数据的并行处理技术；5）本项目将提供一套完整的针对大规模、大尺度冷冻电镜图像的三维重构系统，为生物学家提供强有力的软件工具。

本项目主要研究面向大规模、大尺度的冷冻电镜图像三维重构及可视化关键技术和并行处理技术；并依托天河二号超级计算机，为生物科研人员提供在分子水平上研究细胞结构强有力的计算手段和技术工具。本项目主要突破了大规模、大尺度的冷冻电镜图像三维重构及可视化中精度与速度的关键问题，并完成国内首款完整的独立自主开发的冷冻电镜三维重构软件系统。.本项目在执行期间，实现了首款基于深度分割网络的全自动颗粒图像挑选算法PIXER；提出一种能够解决大尺寸冷冻电镜数据单颗粒重构的高效并行算法OML-Relion；提出了电子断层全自动对位的快速基准标记跟踪模型markerauto和双轴电子断层对位算法AuTom-dualx，能够实现高通量电子断层图像的自动精确对位；提出多种能够弥补电子断层三维重构中信息缺失的高精度重构算法CS-IIRR和DM-SIRT；提出了一种针对原位子结构平均的受限制重构方法CRM，实现原位结构的精确解析；开发了基于“天河二号”的电镜数据可视化分析工具并实现了远程桌面开发；利用动态存储机制和任务调度策略实现了在多种并行平台上的生物电镜图像的高效并行处理技术；开发了一套完整的面向大规模大尺度生物显微影像的全自动三维重构软件系统AuTom和可视化分析系统WebCEMVis。项目实施过程中，主要参与人员至今已经在Science Advances（中科院JCR一区）、Bioinformatics、Journal of Structural Biology、BMC Bioinformatics、Biomedical Optics Express、IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (CCF A类期刊)、IPDPS、BIBM等国际顶级期刊和会议上发表论文59篇，其中SCI期刊论文36篇，EI会议论文23篇，申请专利3项，申请软件著作权1项。同时，本项目开发了世界上首款全自动的生物大分子电镜图像处理软件系统AuTom，其中生物电镜图像的对位软件Markerauto、自动测参软件AutoGDeterm和颗粒图像挑选软件PIXER已经成为了生物电镜数据处理领域的首选软件。