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:10620355
- 负责人:
- 金额:$ 32.67万
- 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 2025-05-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalAccelerationAddressAlgorithmsBackBenchmarkingBiological ProcessCellsCommunitiesComputer AnalysisComputer softwareCryo-electron tomographyDataData AnalysesData SetDetectionDiscriminationEvaluationFutureHourImageIn SituKnowledgeLaplacianLiteratureMachine LearningMacromolecular ComplexesManualsMethodsMitochondriaModelingMolecular ConformationMonitorNeurophysiology - biologic functionNoiseOrganellesPerformanceProcessPublishingReportingResolutionSeriesSignal TransductionStructureSystemTechniquesTestingTomogramVisualizationWeightWorkautoencoderautomated algorithmdeep learningdesignfallsfeature detectiongraphical user interfaceimprovedinnovationinsightmachine learning algorithmnanonanometer resolutionnovelnovel strategiesopen sourceparticlepi-Mesonsprogramsreconstructionsuccessuser-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 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.
项目摘要
细胞冷冻电子断层扫描(Cryo-ET)使观察细胞器和
带有天然构象的纳米分辨率下的大分子复合物。迅速增加的数量
但是,可用的Cryo-ET数据带来了一些主要的分析挑战
穿上这个建议。我们将设计新颖的数据驱动机器学习算法,以改善结构
歧视和解决方案。特别是,我们具有以下特定目的:(1)我们将开发出小说
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
构建具有改进分辨率的断层图; (2)我们将开发一种基于显着的自动选择算法
更好地检测大分子复合物,并将其与创新的2d-3d框架结合起来
提高结构检测准确性; (3)我们将设计姿势不变的端到端卷积模型
亚图表的聚类。该模型将产生初始聚类,该聚类将由新的Subto-to-将
mography平均算法自动减轻噪声的亚图和贡献很少的算法; (4)
我们将通过使用先前报道的细菌分泌系统和Mito-进行实验评估
软骨超结构数据集以改善最终分辨率。在AIMS 1-3中实施算法,我们将
开发一个用户友好的开源图形用户界面-TOM,以直接受益于科学界。
-TOM将与现有软件(包括IMOD,EMAN2和RISION)的现有软件进行系统的比较。
和基准数据集。为了促进分销,-TOM将集成到现有的软件平台中
派和Tomominer。我们的数据驱动算法和软件不仅会促进和加速未来
使用冷冻-ET,但也可以很容易地用于分析现有的大量冷冻数据以进行
证明我们对大分子复合物的结构,功能和空间组织的理解
原位。
项目成果
期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Deep Active Learning for Cryo-Electron Tomography Classification
- DOI:10.1109/icip46576.2022.9898002
- 发表时间:2022-10
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Tianyang Wang;Bo Li;Jing Zhang;Xiangrui Zeng;Mostofa Rafid Uddin;Wei Wu;Min Xu
- 通讯作者:Tianyang Wang;Bo Li;Jing Zhang;Xiangrui Zeng;Mostofa Rafid Uddin;Wei Wu;Min Xu
End-to-end robust joint unsupervised image alignment and clustering.
- DOI:10.1109/iccv48922.2021.00383
- 发表时间:2021-10
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Zeng X;Howe G;Xu M
- 通讯作者:Xu M
Poly(A)-DG: A deep-learning-based domain generalization method to identify cross-species Poly(A) signal without prior knowledge from target species.
- DOI:10.1371/journal.pcbi.1008297
- 发表时间:2020-11
- 期刊:
- 影响因子:4.3
- 作者:Zheng Y;Wang H;Zhang Y;Gao X;Xing EP;Xu M
- 通讯作者:Xu M
Harmony: A Generic Unsupervised Approach for Disentangling Semantic Content from Parameterized Transformations.
- DOI:10.1109/cvpr52688.2022.01999
- 发表时间:2022-06
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Uddin, Mostofa Rafid;Howe, Gregory;Zeng, Xiangrui;Xu, Min
- 通讯作者:Xu, Min
Few-shot learning for classification of novel macromolecular structures in cryo-electron tomograms.
- DOI:10.1371/journal.pcbi.1008227
- 发表时间:2020-11
- 期刊:
- 影响因子:4.3
- 作者:Li R;Yu L;Zhou B;Zeng X;Wang Z;Yang X;Zhang J;Gao X;Jiang R;Xu M
- 通讯作者:Xu M
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{{ truncateString('Min Xu', 18)}}的其他基金
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- 批准号:
10731255 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 32.67万 - 项目类别:
Novel machine learning approaches for improving structural discrimination in cryo-electron tomography
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- 批准号:62305269
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- 资助金额:30 万元
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- 批准号:
10639147 - 财政年份:2023
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$ 32.67万 - 项目类别:
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10663613 - 财政年份:2023
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$ 32.67万 - 项目类别:
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10761217 - 财政年份:2023
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$ 32.67万 - 项目类别:
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10831226 - 财政年份:2023
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$ 32.67万 - 项目类别: