科学家找到量化先进显微镜技术效果的方法

2017年，Salk科学家报告说，将冷冻的蛋白质样品放在电子显微镜下倾斜是一种有效的方法，可以获取有关其结构的更好信息，并帮助研究人员了解从HIV到癌症等多种疾病。现在，他们已经开发了一个数学框架，这些框架是这些最初观察的基础。

他们的新研究于2019年9月13日发表在《生物物理学与分子生物学进展》上，为定量确定视角差异如何影响蛋白质的3-D结构提供了基础，并可以帮助其他研究人员确定最佳的实验设置改善称为cryo-EM的成像技术。

Salk遗传学助理教授兼该论文的合著者Dmitry Lyumkis说：“这提供了定量的理解，为什么视角的变化会影响蛋白质的3-D结构的质量，以及我们在哪里可以做得更好以改善数据。”新工作。“这些类型的理论框架对于精确地理解由于与成像实验相关的缺陷而导致的信息衰减是非常重要的，这将使我们最终从冷冻电磁数据中得到更好的结构。”

在cryo-EM或低温电子显微镜中，蛋白质在被电子轰击之前以其天然形式迅速冷冻。通过检测电子撞击样品时电子的散射方式，研究人员可以确定蛋白质或蛋白质复合物的分子结构。与其他成像方法相比，科学家为冷冻EM制备蛋白质要容易得多，并且该技术可以潜在地解决结构生物学中更广泛的问题。但是，冷冻EM中一个长期存在的问题是蛋白质倾向于粘附在准备制备的样品网格的顶部或底部。这些选择的方向意味着研究人员不能总是从各个角度看到蛋白质的结构。Lyumkis和他的同事在2017年发现倾斜样本，帮助解决了这个问题。

Lyumkis说：“我们从质上知道，在某些情况下倾斜可以改善数据。”“我们所不知道的是结构在多大程度上受到视角变化的影响。”

最近，Salk的高级研究员Philip Baldwin和该论文的合著者正在研究以不同视角收集的一组冷冻EM数据，当他注意到这种变化影响了所得蛋白质结构的整体分辨率时。经过一些计算，他意识到视角和分辨率之间的关联对于所有低温电磁实验都是可以推广的。

新的公式使研究人员可以针对任何倾斜角度的任何蛋白质计算一个称为采样补偿因子或SCF的数值。SCF值越接近1，则蛋白质的结构越完整。如果SCF为0.5而不是1，则可能是数据不完整，或者研究人员必须收集两倍的数据才能获得相同的结构分辨率。通过在实验之前计算SCF值，科学家可以优化其倾斜角和数据收集时间。

新的定量公式还帮助Lyumkis和Baldwin计算出某些冷冻电磁数据集的不完整程度。以前，他们可能不得不关注一组数据，并猜测这是蛋白质结构的好坏近似。现在，SCF可以通过数字告诉他们。

鲍德温说：“这非常方便。”“从根本上讲，该公式可以告诉您蛋白质中是否有非常不好的区域，您没有从中收集数据。”

Lyumkis和Baldwin希望使用该公式来评估cryo-EM结果(涉及一个简单的计算或一段代码)将成为标准，并有助于指导针对cryo-EM的实验和新方法。这将导致在基础生物学和药物开发中的更快发现。

这项工作反映了Salk研究所和其他地方将计算方法整合到生物学研究中的趋势。

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