面向高通量冷冻电镜图像的电子断层重构算法研究

Three-dimensional (3D) reconstruction of cryo-electron microscopy imaging has been a leading technique in analyzing 3D structures of biomacromolecule. However, current technologies for 3d-reconstruction of microscopic imaging have the following deficiencies: there are not efficient alignment algorithms for cryo-electron microscopic images, available three-dimensional (3D) reconstruction algorithms for high-throughput microscopic imaging and an objective evaluation for 3D reconstructions of high-throughput cryo-electron microscopic images. Facing the above challenges, the following issues are investigated in the project: (1) Techniques to improve alignment algorithms of cryo-electron microscopic images. (2) Electron tomographic 3D reconstruction techniques for high-throughput cryo-electron microscopic images. (3) Developing an objective quality criterion for evaluating 3D reconstruction of cryo-electron microscopic images. The final goal of this research will provide a completed reconstruction system for high-throughput cryo-electron microscopic images, to improve the accuracy and processing efficiency of electron tomography, and solve effectively some practical problems in the biological scientific research.

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，其产生的高通量数据需要高精度、高效率的算法进行处理，以获取其中的分子结构生物学信息。但是目前电子断层三维重构技术存在如下缺陷：1）缺乏面向高通量冷冻电镜图像的对位算法； 2）缺乏面向高通量冷冻电镜图像高效的电子断层三维重构技术；3）缺乏面向冷冻电镜图像的重构结果分辨率测定标准。针对上述问题，本项目将从三个方面对冷冻电镜图像三维重构开展研究：1）研究面向高通量冷冻电镜图像的高精度对位算法；2）研究提高当前冷冻电镜图像三维重构精度的技术； 3）研究高通量冷冻电镜的电子断层重构结果的评价标准。本项目将提供一套完整的针对高通量冷冻电镜图像的电子断层三维重构系统，以提高电子断层三维重构的精度和处理效率，有效解决科学研究中的实际问题。

本项目主要研究面向高通量冷冻电镜图像的电子断层重构算法及关键技术，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。本项目在执行期间，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；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。项目实施过程中，主要参与人员至今已经在Cell Research（中科院JCR一区）、Bioinformatics、Journal of Structural Biology、BMC Bioinformatics、IEEE Transactions on Nanobioscience、IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics等国际顶级期刊和会议上发表论文31篇，其中SCI期刊论文19篇，EI会议论文12篇，申请相关专利2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已经成为了生物电镜数据处理领域的首选软件。