[发明专利]一种局部断层三维重构系统

说明书

本发明提出一种局部断层三维重构系统，其包括：至少一数据计算模块，用于实现局部断层三维图像重构过程中三维数组的矩阵计算，所述数据计算模块进一步包括：至少一CPU、至少一图形加速器以及一存储器；MPI分布式模块，用于实现利用各所述数据计算模块进行局部断层三维图像重构的分布式计算，并对各所述数据计算模块之间的数据进行收集与分配；以及三维图像重构模块，用于实现局部断层三维图像的重构。

技术领域

本发明涉及结构生物学技术领域，特别涉及一种局部断层三维重构系统。

背景技术

透射电子低温显微镜(transmission electron cryomicroscopy，cryo-TEM)，通常称为cryo-EM，是一种电子低温显微镜，其样品在低温(液氮温度)下利用透射电子显微镜进行研究。电子冷冻显微学解析生物大分子及细胞结构的核心是透射电子显微镜成像，其基本过程包括样品制备、透射电子显微镜成像、图像处理、结构分析等步骤。在透射电子显微镜成像中，电子枪产生的电子在高压电场中被加速至亚光速并在高真空的显微镜内部运动，根据高速运动的电子在磁场中发生偏转的原理，透射电子显微镜中的一系列电磁透镜对电子进行汇聚，并在穿透样品过程中与样品发生相互作用的电子进行聚焦成像以及放大，最后在记录介质上形成样品放大几千倍至几十万倍的图像。利用计算机对这些图像进行处理，获得样品的三维结构。

在透射电子冷冻低温显微镜下可以使用多种技术，目前主流的技术包括单颗粒分析、电子冷冻断层扫描。单颗粒分析技术研究对象是具有均一性的病毒、大分子复合物等。单颗粒分析方法一般都依赖于同构象的样本。

电子冷冻断层扫描(electron cryotomography，cryo-ET)技术是透射电子低温显微镜技术(cryo-TEM)的一种应用，类似医学中的X射线计算机断层扫描技术，样品放在水平工作平台上，工作平台可以在一定角度范围(如±60°)下沿单轴旋转，每次旋转～2°或4°时，电子束向垂直于水平方向透射电子，在每个角度处获取图像。收集倾斜系列图像，产生一系列二维图像，然后对二维图像进行图像配准、过滤等操作，利用反向重构技术进行断层图像重构,如加权背投影(weighted back projection，WBP)等算法，获得样品整体三维结构。

电子冷冻断层扫描技术是目前唯一在天然环境(即原位状态)下观察样品，且样品不需要任何方式的染色或固定。cryo-ET可以观察到独特的多形态事件、具有短寿命和瞬态的结构以及大分子组织(例如晶格)，这些组织很难在体外重建，而单颗粒分析技术对样品要求高，需要提纯出单一的分子大颗粒。在cryo-ET中，生物样品在冷冻水合状态下成像。将含水样品快速冷却至约140K以避免形成冰晶，因此样品在接近天然状态下保持，这不同于化学固定或干燥的制备方法。然而，优异的保存具有代价：成像电子会损坏生物材料，因此有限的电子剂量约束了可获得的分辨率。因此，低温电子断层图中单个分子的分辨率，即信号与噪声可区分的最大空间频率，通常限制在3至5纳米。

为了解决这些问题并提高分辨率，借鉴冷冻电镜单颗粒分析技术，需要迭代配准和平均包含相同结构的大量局部断层三维图像颗粒，从而实现局部断层三维重构。局部断层三维重构技术是将单颗粒重构与电子断层成像技术相结合的技术。它的基本思路是：先对同构的分子颗粒做电子断层重构，再将这些同构的分子颗粒从重构体中挑选出来，进行类似单颗粒分析技术的对齐、分类、平均等步骤，从而实现高分辨的三维结构。

近年来随着电子冷冻断层扫描技术解析分子三维结构技术的发展，以及电子冷冻断层扫描技术对样品的要求不高，局部断层三维重构方法已经是结构生物学研究领域和制药等工业领域的研究热点之一。

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