Entwicklung computergestützter Methoden zur Analyse von Kryoelektronentomogrammen

• Antragsteller: Professor Dr. Friedrich Förster
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 217637226

Kryo-Elektronen Tomographie (Kryo-ET) ermöglicht es, makromolekulare Komplexe in ihrer nativen Umgebung abzubilden, was Kryo-ET zu einer wichtigen Abbildungsmethode in der modernen Strukturbiologie macht. Die dreidimensionale (3-D) Dichte der schockgefrorenen Probe wird approximiert anhand ihrer Projektionen, die mittels eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) aufgenommen werden. Hier schlagen wir vor, rechnerische Methoden zu entwickeln, die die Genauigkeit der berechneten 3-D Rekonstruktionen steigert. Erstens werden wir einen neuen Algorithmus zur Registrierung der zweidimensionalen (2-D) TEM Bilder auf ein gemeinsames Koordinatensystem entwickeln. Dieser Ansatz ermöglicht die Fokussierung der Registrierung auf kleinere Teilvolumina anstatt des kompletten abgebildeten Gebiets. Hierdurch ist es möglich, die strahlinduzierte Probenveränderung zu berücksichtigen, die derzeit die Auflösung der Kryo-ET fundamental limitiert. Da der vorgeschlagene Algorithmus keine hinzugegebenen Marker verwendet, ist er weiterhin besonders gut geeignet zur Analyse von Proben, die mittels eines fokussierten Ionenstrahls präpariert sind, und er ist hervorragend zur Automatisierung der tomographischen Rekonstruktion geeignet. Zweitens werden wir ein neuartiges iteratives Verfahren zur Rekonstruktion von Volumina anhand der registrierten 2-D Bilder implementieren. Drei Eigenschaften der Methodik versprechen Steigerungen der Genauigkeit der Rekonstruktionen: (i) nicht-uniforme Fourier Transformation ermöglicht sehr genaue Interpolation und die Verwendung einer Optimierungsgröße, die an die Geometrie des Experiments angepasst ist; (ii) Regularisierung verhindert Verstärkung des Rauschens bei Daten mit niedrigem Signal-zu-Rausch Verhältnis, wie in der Kryo-ET; (iii) Realraum-basierte Einschränkung des 3-D Volumens gemäß der Form des Objekts ermöglicht teilweise Restauration struktureller Daten, die nicht experimentell zugänglich sind (Missing Wedge). Drittens wird die vorgeschlagene Methodologie zur 3-D Rekonstruktion in existierende Prozeduren zur statistischen Analyse von Subtomogrammen, die Kopien des selben makromolekularen Komplexes darstellen, integriert. Subtomogrammanalyse beinhaltet die kohärente Alignierung und Mittelung, um gemittelte Dichten mit wesentlich höherer Auflösung als die der verrauschten Einzelvolumina zu erhalten, sowie die Klassifizierung der Subtomogramme gemäß struktureller Unterschiede der abgebildeten Partikel. Im Detail werden verschiedene 3-D Rekonstruktionen für Alignierung/Klassifikation und für die Mittelung verwendet. Um den Wert für die wissenschaftliche Gemeinschaft zu maximieren wird schließlich die entwickelte Methodologie extensiv dokumentiert, und es werden Tutorien zur Benutzung zusammengestellt. Zusammenfassend wird die im Rahmen dieses Antrag entwickelte Methodologie detailliertere Einblicke in die Strukturen und von makromolekularen Komplexen in ihrer nativen Umgebung und deren Konformationsänderungen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande