Novel machine learning approaches for improving structural discrimination in cryo-electron tomography

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

基本信息

  • 批准号:
    10454131
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32.74万
  • 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

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 ad- dress 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 re- construct 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 subto- mogram 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 mito- chondrial ultrastructures datasets to improve the final resolution. Implementing algorithms in Aims 1-3, we will develop a user-friendly open-source graphical user interface -tom to directly benefit the scientific community. -tom will be systematically compared with existing software including IMOD, EMAN2, and Relion on simulated and benchmark datasets. To facilitate distribution, -tom will be integrated into existing software platforms Sci- pion 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 im- prove our understanding of the structure, function, and spatial organization of macromolecular complexes in situ.
项目概要 细胞冷冻电子断层扫描 (Cryo-ET) 使观察细胞器和 具有天然构象的纳米分辨率的大分子复合物数量迅速增加。 然而,可用的 Cryo-ET 数据给分析带来了一些重大挑战,我们将及时调整这些挑战 我们将设计新颖的数据驱动机器学习算法来改进结构。 具体而言,我们有以下具体目标:(1)我们将开发一部小说。 自动编码器和迭代区域匹配(AIM)算法,用于图像倾斜系列的无标记对齐,以重新 构建分辨率更高的断层图;(2)我们将开发一种基于显着性的自动拾取算法 更好地检测大分子复合物,并将其与创新的 2D 到 3D 框架相结合,进一步 (3)我们将设计一个端到端的姿态不变卷积模型 该模型将产生一个初始聚类,该聚类将通过新的子断层图进行细化。 (4) 断层图平均算法,自动降低噪声和贡献较小的子断层图的权重; 我们将通过使用先前报道的细菌分泌系统和线粒体来进行实验评估 实现目标 1-3 中的算法,我们将使用球粒超微结构数据集来提高最终分辨率。 开发一个用户友好的开源图形用户界面-tom,直接造福科学界。 -tom将在模拟上与现有软件(包括IMOD、EMAN2和Relion)进行系统比较 和基准数据集,为了便于分发,-tom 将集成到现有的软件平台 Sci- 中。 pion 和 TomoMiner 我们的数据驱动算法和软件不仅将促进和加速未来。 Cryo-ET 的使用,而且还可以轻松用于分析现有的大量 Cryo-ET 数据,以改进 证明我们对大分子复合物的结构、功能和空间组织的理解 情况。

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)
专利数量(0)

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