Novel machine learning approaches for improving structural discrimination in cryo-electron tomography-Administrative Supplement
用于改善冷冻电子断层扫描结构辨别的新型机器学习方法-行政补充
基本信息
- 批准号:10388867
- 负责人:
- 金额:$ 11.28万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-06-10 至 2024-05-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalAddressAdministrative SupplementAlgorithmic SoftwareAlgorithmsBenchmarkingCommunitiesComputer softwareCryo-electron tomographyDataData SetDetectionDiscriminationEvaluationFutureImageIn SituMachine LearningMacromolecular ComplexesMitochondriaModelingMolecular ConformationMonitorNoiseOrganellesPerformancePublishingReportingResolutionSeriesStructureSystemTimeTomogramWeightautoencoderautomated algorithmbasedesigngraphical user interfaceimprovedinnovationmachine learning algorithmnanometer resolutionnovelnovel strategiesopen sourcereconstructionuser-friendly
项目摘要
Project Summary
Cellular cryo-electron tomography (Cryo-ET) has made possible the observation of cellular
organelles and macromolecular complexes at nanometer resolution with native conformations.
The rapid increasing amount of Cryo-ET data available however brings along some major
challenges for analysis which we will timely address in this proposal. We will design novel data-
driven machine learning algorithms for improving structural discrimination and resolution. In
particular, we have the following specific aims: (1) We will develop a novel Autoencoder and
Iterative region Matching (AIM) algorithm for marker-free alignment of image tilt-series to
reconstruct tomograms with improved resolution; (2) We will develop a saliency-based auto-
picking algorithm for better detecting macromolecular complexes, and combine it with an
innovative 2D-to-3D framework to further improve structure detection accuracy; (3) We will design
an end-to-end convolutional model for pose-invariant clustering of subtomograms. This model will
produce an initial clustering which will be refined by a new subtomogram averaging algorithm that
automatically down weights subtomograms of noise and little contribution; (4) We will perform
experimental evaluations by using previously reported bacterial secretion systems and
mitochondrial ultrastructures datasets to improve the final resolution. Implementing algorithms in
Aims 1-3, we will develop a user-friendly open-source graphical user interface α-tom to directly
benefit the scientific community. α-tom will be systematically compared with existing software
including IMOD, EMAN2, and Relion on simulated and benchmark datasets. To facilitate
distribution, α-tom will be integrated into existing software platforms Scipion and TomoMiner. Our
data-driven algorithms and software not only will facilitate and accelerate the future use of Cryo-
ET, but also can be readily used on analyzing the existing large amounts of Cryo-ET data to
improve our understanding of the structure, function, and spatial organization of macromolecular
complexes in situ.
项目摘要
细胞冷冻电子断层扫描(Cryo-ET)使观察到了细胞的观察
细胞器和大分子复合物在纳米分辨率下具有天然构型。
可用的冷冻数据量迅速增加,但是带来了一些专业
分析的挑战,我们将在此提案中及时解决。我们将设计新的数据 -
驱动的机器学习算法,用于改善结构歧视和解决方案。在
特别是,我们有以下具体目的:(1)我们将开发一个新颖的自动编码器,并且
迭代区域匹配(AIM)算法,用于图像倾斜系列的无标记对齐
通过改进分辨率重建断层图; (2)我们将开发基于显着的自动
选择算法以更好地检测大分子复合物,并将其与
创新的2D到3D框架,以进一步提高结构检测准确性; (3)我们将设计
端到端卷积模型,用于姿势不变的亚图图。这个模型将
产生初始聚类,该聚类将通过新的子图平均图来完善,该算法平均
自动减少噪声的子图和贡献很少的子图; (4)我们将表演
通过使用先前报道的细菌分泌系统和
线粒体超微结构数据集可改善最终分辨率。在中实现算法
AIMS 1-3,我们将开发一个用户友好的开源图形用户界面α-TOM直接
受益于科学界。 α-TOM将与现有软件进行系统的比较
包括IMOD,EMAN2和模拟和基准数据集的Relion。促进
分布,α-TOM将集成到现有的软件平台Scipion和TomoMiner中。我们的
数据驱动的算法和软件不仅会促进和加速冷冻的未来使用
ET,但也可以很容易地用于分析现有的大量冷冻数据
提高我们对大分子的结构,功能和空间组织的理解
原位配合物。
项目成果
期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
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