Лента TH Новости Биоинженерия


Новые алгоритмы извлекают биологическую структуру из ограниченных данных

∴ 81

Понимание трехмерной молекулярной структуры важных нанообъектов, таких как белки и вирусы, имеет решающее значение для биологии и медицины. С недавними достижениями в области рентгеновских технологий ученые теперь могут собирать дифракционные изображения от отдельных частиц, что в конечном итоге позволяет исследователям визуализировать молекулы при комнатной температуре.

581

Однако определение трехмерной структуры из этих одночастичных, дифракционных экспериментов является значительным препятствием. Например, текущие скорости сбора данных очень ограничены (10 полезных снимков в минуту), ограничивая количество функций, которые могут быть разрешены. Кроме того, изображения часто сильно повреждены шуму и другим экспериментальными артефактами, что затрудняет правильную интерпретацию данных.

Для решения этих задач команда исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) разработала новую алгоритмическую структуру, называемую многоярусной итеративной фазировкой (M-TIP), которая использует передовые математические методы для определения трехмерной молекулярной структуры из отдельных данных. Этот подход позволяет исследователям извлекать больше информации. Прикладные математики Джеффри Донателли и Джеймс Сетян и физический биолог Питер Зварт ввели эту структуру, расширив алгоритм, который они изначально разработали для решения реконструкции из связанного эксперимента по рассеянию рентгеновских лучей, называемого флуктуационным рассеянием. 26 июня в «Трудах Национальной академии наук» был опубликован документ, описывающий структуру M-TIP.

Донателли, Сетян и Цварт являются частью CAMERA (Центр передовой математики для применения в области энергетических исследований), задачей которого является создание современной математики, необходимой для обработки данных в самых современных научных учреждениях. CAMERA совместно финансируется проектами по научным вычислениям и основным энергетическим наукам в Управлении науки DOE.

Недавнее появление рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFELs) позволило внедрить несколько новых экспериментальных методов изучения биомолекул, которые были недоступны традиционным источникам света. Одним из таких методов является одночастичная дифракция, которая собирает большое количество снимков рентгеновской дифракции с единственной частицей в пучке. Используя экстремальную мощность XFEL, исследователи могут собирать измеримые сигналы даже от мельчайших частиц.

В настоящее время команда работает в рамках Инициативы Single Particle Initiative — большого многоинституционального сотрудничества, предназначенного для решения теоретических и практических вопросов в X-FEL. Конечная цель это внедрить инструменты, необходимые для того, чтобы развить новые основы в биологии, медицине и энергетических науках.

Филипп Дончев