三维重构

从冷冻电镜的多个二维投影图像进行三维重构，获得蛋白质的三维结构。 兰州大学供图蛋白质结构解析是分子生物学的核心课题，对于人们认识蛋白质的功能，理解疾病的发病机理，进行药物设计和疾病治疗等都具有非常重要的意义。近年来，冷冻电镜技术在测定生物大分子结构方面取得了突破性的进展，虽然目前DeepMind 公司开发的AlphaFold已经可以从蛋白质序列预测蛋白质的三维结构，但其准确性还有待提升，其结果也只能作为预测结果使用。近日，兰州大学信息科学与工程学院教授路永钢课题组与兰州大学生命科学院副教授朱莉以及美国欧道明大学计算机科学系教授何静合作，提出了一种基于球面嵌入的蛋白质三维重构算法，有助于从冷冻电镜图像中重构出更加准确的蛋白质三维结构。相关成果以《基于两次球面嵌入的冷冻电镜投影图像三维重构》为题在线发表于《通讯生物学》。单颗粒分析是冷冻电镜测定蛋白质结构的主流技术。在利用冷冻电镜获得大量同一种蛋白质分子的二维投影图像后，该技术利用三维重构算法可以计算出蛋白质的三维结构。其中，蛋白质三维重构的核心问题是估计每个投影图像的投影方向，其本质是一个非凸优化问题。现有的算法大多是基于模板匹配，或者是基于期望最大化的参数估计算法，容易受到初始参数选取的影响，容易陷入局部极小，可能会重构出错误的蛋白质结构。为了提升三维重构结果的可靠性，路永钢课题组在该研究工作中充分利用了全体投影图像在投影方向以及等价线方面的全体一致性约束，通过两次球面嵌入获得了在三维空间中满足全体投影图像一致性约束的投影方向估计，进而计算出了蛋白质的三维结构。这种方法的特点是不需要初始模板，尽量从数据内部挖掘约束条件，对初始化依赖较小，因而提高了重构结果的可靠性和准确性。另外，路永钢课题组还提出了新的投影方向表示方法，利用两个互相垂直的向量（投影图像的法向量和自身坐标的X轴）来表示投影方向，并且讨论了这种表示和通常使用的欧拉角表示的等价性。在该论文的实验工作中，课题组分别使用了模拟数据集和两组真实数据集对算法进行了评价。通过与目前常见的几种算法（Synchronization、LUD、EMAN 2.1和RELION-2）进行对比，验证了所提算法的有效性。模拟数据由大肠杆菌70S核糖体对应的蛋白质结构通过计算机模拟投影生成。真实数据使用了从EMPIAR数据库下载的恶性疟原虫80S核糖体数据集（EMPIAR-10028）的冷冻电镜图像，以及Hedgehog受体补丁与纳米抗体TI23复合物（EMPIAR-10328）的冷冻电镜图像。实验结果证明了该论文提出的球面嵌入算法可以更准确地估计投影方向，并且在噪声比较高的情况下（例如SNR=0.1或0.2等），该算法能大大降低投影角估计的误差。三维重构的结果也证明了利用该算法在不同噪声水平及不同数量的投影图像上进行重构时都具有一定的优越性，得到的重构结果具有更高的分辨率，也更加接近于真实结构。

近日，中国科学院大连化学物理研究所公开招标，预算869万元采购1台高分辨三维重构X射线显微镜。招标项目详情如下：项目编号：OITC-G240270123项目名称：中国科学院大连化学物理研究所高分辨三维重构X射线显微镜采购项目预算金额：869万元（人民币）最高限价（如有）：869万元（人民币）采购需求：高分辨三维重构X射线显微镜 1 台/套 （允许进口产品）技术要求：1 分辨率及成像架构 ★1.1 最高空间分辨率：最佳三维空间分辨率≤0.5μm1.2 当 X 射线源距样品旋转轴 50mm 时的最佳空间分辨率≤1.0μm 1.3 最小可实现的体素（最大放大倍率下样品的体素大小）≤ 40 nm ★1.4 系统必须采用几何+光学两级放大的架构，以满足我单位对大样品进行局部高分辨率的成像需求。2 三维组织表征、重构及成像2.1 无损伤地对样品进行三维组织表征，可获得样品的三维组织形貌及不同角度、不同位置的虚拟二维切片组织形貌信息。不需制样或只需简单制备，不需真空观察环境，不会引入人为缺陷。 ★2.2 利用吸收衬度原理和相位传播衬度原理，可以对包括高原子序数和低原子序数在内的各种材料都能获得高衬度图像。 2.3 2000 张2k×2k投影重构图像数据（重构972 张Slice 图像）时间≤2.2分钟。2.4 支持纵向拼接技术，通过纵向拼接扫描结果获得更高视野的数据2.5 具备定位放大扫描功能2.6 具备样品移动自适应矫正、温度移动矫正、图像比对位移参照矫正等功能2.7 具备吸收衬度成像和基于边缘折射传播的相位衬度成像功能2.8 应具备硬件+软件的自动防撞机制, 可通过可见光扫描快速获取样品形状和实际轮廓，根据样品形状和轮廓，自动对源、探测器位置进行限位，以保证硬件和样品安全 。3 光源与滤波片★3.1 高能量微聚焦闭管透射式X射线源3.2 最高电压≥160kV，最低电压≤30kV，电压在最低和最高之间连续可调3.3 最大功率不小于25W3.4 Z轴可移动范围不小于190 mm 3.5 X射线泄露≤1μSv/hr（距离设备外壳25mm以上处）★3.6 带有单过滤波片支架，12个适用于不同能量段扫描的滤波片4 探测器4.1 能够实现二级放大的16 bit噪声抑制闪烁体耦合探测器, 探测器能够实现2048×2048以上的像素成像和三维重构★4.2 包含0.4X物镜探测器，实现2048×2048像素成像和三维重构4.3 包含高对比度，低分辨率的4X物镜探测器4.4 包含高对比度、高分辨率的20X物镜探测器4.5 探测器可移动范围不小于280mm★4.6 包含高分辨率40X物镜探测器5 样品台及样品室★5.1 全电脑控制高精度4轴马达样品台，具备超高的样品移动精度★5.2样品台X轴运动范围50mm；Y轴运动范围100mm；Z轴运动范围50mm 5.3 样品台旋转运动范围：360度旋转5.4 样品台最大承重范围：25kg5.5 样品台可承受样品尺寸范围：300mm★5.6 为了防止X 射线辐射泄漏、保护仪器操作人员，设备须采用全封闭式铅房设计，不能留有观察玻璃窗。样品室内配备可见光相机，确保操作人员无需通过观察玻璃窗即可监控和操作样品。5.7 配置原位台接口，可后期升级原位台。5.8 系统应具备智能防撞系统，可根据样品尺寸设定源和样品的范围，保障在实际成像过程中不会发生样品和源、探测器的碰撞损坏设备或样品。6 仪器控制与数据采集、重构、可视化及分析系统6.1 全数字化仪器控制，计算机控制工作站★6.2 具备三维数据采集及控制软件, 并提供1次免费升级服务。6.3 支持原始数据查看，图像标准特征显示（如亮度、对比度、放大等）、注释、测量6.4 可以进行基本图像测量，如图像计算、滤波等6.5具备快速三维数据重构软件6.6 具备三维数据可视化软件，展示三维重构结果，包括虚拟断层，着色、渲染、透视等，并实现基本分析功能和注释（3D Viewer）★6.7 专业的三维数据分析软件（一套）：可进行高级三维重构后视图展示与三维高级数据处理与分析包括定量分析与统计分布、切片配准与图像滤波、三维图像数据分割与特征提取、多模态融合与分析、三维模型生成与导出，几何特征计算等（如可以实现三维数据处理，对样品三维数据结果进行相分割，孔隙率计算，裂纹及孔的尺寸统计与空间分布）并且可与其它三维软件兼容, 厂家自带软件全部功能开放7 三维X射线显微镜控制主机（须内附三维X射线显微镜控制单元）Microsoft Windows10操作系统、符合或优于Dual Eight Core CPU 、 CUDA-enabled 3D GPU，12TB（3×4 TB）硬盘容量、32GB内存、RAID-5可刻录式光驱、24寸液晶显示器；额外再配置一台数据处理工作站，要求不低于以下配置：Microsoft Windows 10及以上正版操作系统、双10核CPU、Nvidia RTX A6000GPU、6TB硬盘容量、512GB内存、RAID-5可刻录式光驱、24寸显示屏。8 样品座及标样8.1 配备对中和分辨率测试标样1套，配备针钳式样品座、夹钳式样品座、夹持式样品座、高铝基座样品座、高精度针钳式样品座。9 可拓展功能★9.1 可与双束系统、场发射电镜的数据相关关联，可将CT所获得的数据文件格式如CZI, ZVI, TIFF, MRC等格式的二维图像和TXM 3D X-ray volumes体量数据，导入到电镜或者双束系统的软件中，实现亚微米级到纳米级的数据关联以及数据处理。10 其他硬件10.1 人体工学操作台，大移动范围、高精度花岗岩工作台，四门式防辐射安全屏蔽罩，配备辐射安全连锁装置和“X-ray on”指示器 潜在投标人需于2024年06月11日至2024年06月18日，上午9:00至11:00，下午13:00至17:00（北京时间，法定节假日除外），登录东方招标平台www.oitccas.com注册并购买招标文件，并于2024年07月02日09点30分（北京时间）提交投标文件。联系方式：1. 采购人信息名称：中国科学院大连化学物理研究所地址：辽宁省大连市中山路457号联系方式：王老师，0411-843797072. 采购代理机构信息名称：东方国际招标有限责任公司地址：北京市海淀区丹棱街1号互联网金融中心20层联系方式：窦志超、王琪 010-682905233. 项目联系方式项目联系人：窦志超、王琪电话：010-68290523附件：采购需求.pdf

利用SU5000和Gatan 3View 2XP 对老鼠肝细胞截面的高分辨截面观测 图1. 老鼠肝细胞高分辨BSE图像仪器：热场发射SU5000 ， Gatan 3View® 2XPSEM（加速电压: 2 kV, 真空模式: 高真空）3View（图像大小: 16k×16k, 像素点尺寸: 2 nm/pixel, 观测区域: 33 mm×33 mm）图. 1 为老鼠肝细胞整体染色并树脂包埋后的高分辨截面观测结果，图中可观测到整个细胞及细胞器的分布。右图是左图黄框内区域数字放大5倍后的结果，图中可明显观测到细胞核 (N) 及其附近的内质网(ER) ，线粒体(M) 及嵴(←), 高尔基体(G), 糖原颗粒 (▲)分布。利用SU5000和Gatan 3View 2XP 对老鼠肝细胞超薄切片观测及三维重构 (a) 超薄切片观测图像 (b)三维重构结果（长为10 μm的正方体）(c) 三维重构 (XY 面, YZ 面，XZ 面）图2. 老鼠肝细胞连续切片及三维重构结果 图. 2 为老鼠肝细胞染色树脂包埋后连续切片（a）及三位重构（b）（c）结果。 三维重构图像可以通过300张截面图像堆叠计算得到。 由于热场发射电子枪束流的稳定性，可连续长时间地拍摄获取300多张的图像。通过三维重构的结果可直观地看到细胞尺寸结构及其细胞器的三维分布，能更多地获取生物细胞的信息。 利用SU5000和Gatan 3View 2XP 对老鼠肝细胞三维重构结果分析 图3. (a) 连续截面BSE图像堆叠图像结果 (b) 线粒体及细胞核体分布 (红色为线粒体，绿色为细胞核)（c）线粒体的尺寸分布直方图 通过连续切片获得的三维重构结果，可选择性的得到所需信息，如线粒体的分布，结构，尺寸数目的面分布及体分布等。 图3为三维堆叠图及后续分析出的线路体（红色）及细胞核（绿色）的分布图。可直观地观测到线粒体的形状，结构及分布。 图2显示的是线粒体的尺寸分布直方图,可通过软件直接得到线粒体的体分布和面分布，进而分析细胞内线粒体的数目及分布。 仪器： 热场发射SU5000 Gatan 3View® 2XP 三维重构： Image Pro Premier 3D (Media Cybernetics Inc.)SEM条件：加速电压　2 kV 真空模式　高真空3View条件：图像尺寸　8k×8k 像素尺寸　4.4 nm/pixel 观测区域　36 mm×36 mm 切片厚度　50 nm 切片数　 300 该产品更多信息请关注:SU5000 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C220210.htm 关于日立高新技术公司：日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。更多信息敬请关注日立高新官方网站：http://www.hitachi-hightech.com/cn/