Hōʻike ka poʻe ʻepekema i nā hale huna o nā mea a me nā biomolecules e hoʻohana ana i ka crystallography a me ka microscopy cryo-electron (cryo-EM). Eia nō naʻe, ʻoiai ke kū nei kēia mau aʻo i nā pilikia e piʻi mau ana, ua lilo ke aʻo ʻana i ka mīkini i mea pili waiwai.
Ma kēia pou, e nānā mākou i ka intersection hoihoi o "Methods of Machine Learning for Crystallography and Cryo-EM." E hui pū me mākou i ko mākou noiʻi ʻana i ka hopena kipi o ka naʻauao hana i ka wehe ʻana i nā mea huna o ka honua atomic a me ka molekala.
ʻO ka mea mua, makemake wau e maʻalahi i ke kumuhana a haʻi i nā huaʻōlelo o ka crystallography a me Cryo-Em, a laila e noiʻi hou mākou i hea aʻo aʻo hele mai i ka pāʻani.
Crystallography
ʻO ka Crystallography ke aʻo ʻana i ka hoʻonohonoho ʻana o nā mana i loko o nā mea crystalline. ʻO nā kristal he mau mea paʻa i hana ʻia me nā ʻātoma i hoʻonohonoho ʻia i ke ʻano hana hou e hana i kahi ʻano i hoʻonohonoho ʻia.
Ma muli o kēia hoʻonohonoho maʻamau, loaʻa i nā mea waiwai nā waiwai a me nā ʻano like ʻole, i mea nui ka crystallography no ka hoʻomaopopo ʻana i nā waiwai o nā mea he nui.
Hiki i nā ʻepekema ke nānā i ka lattice kristal me ka hoʻohana ʻana i nā ʻenehana e like me ka X-ray diffraction, e hāʻawi ana i ka ʻike koʻikoʻi e pili ana i nā kūlana atom a me nā pilina pili. He mea koʻikoʻi ka crystallography ma nā ʻano he nui, mai ka ʻepekema waiwai a me ke kemika a hiki i ka geology a me ka biology. Kōkua ia i ka hoʻomohala ʻana i nā mea hou a me ka hoʻomaopopo ʻana i nā waiwai mineral.
Hiki iā ia ke kōkua iā mākou i ka wehewehe ʻana i nā hana paʻakikī o nā molekala olaola e like me nā protein.
Cryo-EM (Cryo-Electron Microscopy)
ʻO Cryo-electron microscopy (Cryo-EM) kahi ʻenehana kiʻi paʻakikī e hiki ai i nā mea noiʻi ke ʻike i nā ʻano hana ʻekolu o nā biomolecules ma ka hoʻonā atomika a kokoke-atomic paha.
Mālama ʻo Cryo-EM i nā biomolecules i ko lākou kūlana kūlohelohe ma ka hoʻokē ʻai ʻana iā lākou i loko o ka nitrogen wai, e kūʻē i ka microscopy electron maʻamau, pono e hoʻopaʻa ʻia nā laʻana, ʻeleʻele, a me ka dehydrated.
Kāohi kēia i ka hoʻokumu ʻana o ka hau aniani, mālama i ke ʻano olaola. Hiki i nā kānaka ʻepekema ke ʻike i nā kikoʻī kikoʻī o nā paʻakikī protein nui, nā maʻi virus, a me nā ʻāpana cellular, e hāʻawi ana i nā ʻike koʻikoʻi i kā lākou hana a me nā pilina.
Ua hoʻololi ʻo Cryo-EM i ka biology structural ma o ka ʻae ʻana i nā mea noiʻi e ʻimi i nā kaʻina hana olaola ma nā pae kikoʻī hiki ʻole ke noʻonoʻo ʻia. Loaʻa kāna mau noi mai ka ʻike ʻana i ka lāʻau lapaʻau a me ka hoʻomohala ʻana i ke kano a hiki i ka hoʻomaopopo ʻana i nā kumu molecular maʻi.
No ke aha lākou i mea nui ai?
He mea koʻikoʻi ka Cryo-EM a me ka crystallography i ka hoʻonui ʻana i ko mākou ʻike i ke ao kūlohelohe.
Hiki iā Crystallography ke ʻike a hoʻomaopopo i ka hoʻonohonoho atomika i nā mea, e ʻae iā mākou e kūkulu i nā pūhui hou me nā ʻano kikoʻī no nā ʻano hoʻohana ākea. He mea nui ka crystallography i ka hana ʻana i kā mākou moʻomeheu hou, mai nā semiconductor i hoʻohana ʻia i ka uila a hiki i nā lāʻau lapaʻau i hoʻohana ʻia e mālama i nā maʻi.
ʻO Cryo-EM, ma ka ʻaoʻao ʻē aʻe, hāʻawi i kahi hiʻohiʻona hoihoi i ka mīkini paʻakikī o ke ola. Loaʻa i nā ʻepekema nā ʻike i nā kaʻina hana olaola kumu ma ka nānā ʻana i ka hoʻolālā ʻana o nā biomolecules, e ʻae iā lākou e hana i nā lāʻau lapaʻau ʻoi aku ka maikaʻi, hoʻolālā i nā lāʻau lapaʻau i hoʻopaʻa ʻia, a me ka hakakā maikaʻi ʻana i nā maʻi maʻi.
ʻO nā holomua Cryo-EM e wehe i nā hiʻohiʻona hou i ka lāʻau lapaʻau, biotechnology, a me ko mākou ʻike holoʻokoʻa i nā poloka kūkulu o ke ola.
Hoʻonui i ka wānana a me ka nānā ʻana me ka mīkini aʻo i ka Crystallography
Ua kōkua nui ʻia ke aʻo ʻana i ka mīkini i ka crystallography, e hoʻololi i ke ʻano o ka wānana a ka poʻe ʻepekema i ka wehewehe ʻana i nā hale aniani.
Hiki i nā Algorithms ke unuhi i nā mamana a me nā hoʻoponopono ʻana mai nā ʻikepili nui o nā hale aniani i ʻike ʻia, e ʻae ana i ka wānana wikiwiki o nā hale aniani hou me ka pololei ʻole.
No ka laʻana, ua hōʻike nā mea noiʻi ʻo Thorn Lab i ka maikaʻi o ke aʻo ʻana i ka mīkini i ka wānana i ka paʻa kristal a me ka hoʻokumu ʻana i ka ikehu, e hāʻawi ana i nā ʻike koʻikoʻi i nā waiwai thermodynamic o nā mea.
ʻAʻole wale kēia hoʻomohala e hoʻolalelale i ka loaʻa ʻana o nā mea hou akā ʻo ka hoʻomaikaʻi ʻana i nā mea o kēia manawa, e lawe mai ana i kahi au hou o ka noiʻi waiwai me nā ʻano maikaʻi a me nā hana.
Kiʻi: He laʻana o kahi ʻano aniani i hōʻike ʻia ma ka polokalamu Mercury.
Pehea ke aʻo ʻana o ka mīkini i ka Cryo-EM?
Ua wehe ke aʻo ʻana i ka mīkini i kahi honua hou o nā mea hiki i ka cryo-electron microscopy (Cryo-EM), e ʻae ana i nā ʻepekema e ʻimi hohonu i ka paʻakikī o nā biomolecules.
Hiki i nā mea noiʻi ke kālailai i ka nui o ka ʻikepili cryo-EM me ka hoʻohana ʻana i nā ʻenehana hou e like me haʻawina hohonu, e hana hou ana i na hi'ohi'ona ekolu-dimensional o na moleola olaola me ka maopopo 'ole a me ka pololei.
ʻO kēia hui pū ʻana o ka mīkini aʻo me cryo-EM ua ʻae ʻia no ke kiʻi ʻana i nā ʻōnaehana protein undecipherable ma mua, e hāʻawi ana i nā ʻike hou i kā lākou mau hana a me nā pilina.
ʻO ka hui pū ʻana o kēia mau ʻenehana paʻa i ka ʻōlelo hoʻohiki nui no ka loaʻa ʻana o ka lāʻau lapaʻau no ka mea e hiki ai i nā mea noiʻi ke kuhikuhi pololei i nā wahi paʻa kikoʻī, e alakaʻi ana i ka hana ʻana i nā lāʻau lapaʻau ʻoi aku ka maikaʻi no nā maʻi like ʻole.
Nā Algorithms Aʻo Mīkini no ka Hoʻolalelale ʻana i ka ʻikepili Cryo-EM
Hoʻopuka nā noiʻi Cryo-EM i nā ʻikepili kikoʻī a nui, hiki ke lilo i makana a me ka hōʻino no nā mea noiʻi. Eia nō naʻe, ua hōʻoia ʻia nā ʻano aʻo mīkini i mea koʻikoʻi i ka nānā ʻana a me ka wehewehe ʻana i ka ʻikepili cryo-EM.
Hiki i nā kānaka ʻepekema ke hoʻohana i nā ala aʻo i mālama ʻole ʻia e ʻike a hoʻokaʻawale i nā ʻano protein like ʻole, e hōʻemi ana i nā hana lima manawa.
ʻAʻole wale kēia ʻano hana wikiwiki i ka nānā ʻana i ka ʻikepili akā hoʻomaikaʻi pū i ka hilinaʻi o nā ʻike ma o ka wehe ʻana i nā manaʻo kanaka i ka wehewehe ʻana i ka ʻikepili paʻakikī.
ʻO ka hoʻokomo ʻana o ka mīkini aʻo i ka ʻikepili ʻikepili Cryo-EM, e like me ka hōʻike ʻana i nā hana hou, hāʻawi i kahi ala no ka ʻike hohonu o nā kaʻina olaola paʻakikī a me ka nānā ʻana i nā mīkini molekala ola.
E pili ana i nā ʻano hoʻohālikelike: Ke hoʻopaʻa ʻana i ka Gap hoʻokolohua-heluhelu
Hiki i ke aʻo ʻana i ka mīkini ke hoʻopaʻa i ka ʻokoʻa ma waena o ka ʻikepili hoʻokolohua a me nā kumu hoʻohālikelike i ka crystallography a me cryo-EM.
ʻO ka hui pū ʻana o nā ʻikepili hoʻokolohua a me nā ʻenehana aʻo mīkini e hiki ai ke hoʻomohala i nā hiʻohiʻona wānana pololei, e hoʻomaikaʻi i ka hilinaʻi o ka hoʻoholo ʻana i ka hale a me ka helu waiwai.
ʻO ke aʻo hoʻololi, kahi ʻenehana e pili ana i ka ʻike i aʻo ʻia ma kekahi wahi i kekahi, ʻike ʻia ma ke ʻano he mea hana koʻikoʻi no ka hoʻoikaika ʻana i ka pono o nā noiʻi crystallographic a me Cryo-EM ma kēia ʻano.
ʻO nā ʻenehana Hybrid, kahi e hoʻohui ai i nā ʻike hoʻokolohua me ka hiki ke kamepiula, e hōʻike ana i kahi koho ʻokiʻoki no ka hoʻonā ʻana i nā pilikia ʻepekema paʻakikī, e hoʻohiki ana e hoʻololi i ke ʻano o kā mākou ʻike a hoʻoponopono ʻana i ka honua atomic a me ka molekala.
Ke hoʻohana nei i nā Convolutional Neural Networks e koho i nā ʻāpana ma Cryo-EM
Ma ka hāʻawi ʻana i nā kiʻi hoʻonā kiʻekiʻe o nā molekala olaola, cryo-electron microscopy (Cryo-EM) ua hoʻololi i ke aʻo ʻana i nā hale macromolecular.
Eia nō naʻe, ʻo ka ʻohi ʻana i nā ʻāpana, ʻo ia hoʻi ka ʻike a me ka unuhi ʻana i nā kiʻi pākahi mai nā micrographs Cryo-EM, he hana hoʻopau manawa a paʻakikī.
Ua holomua ka poʻe noiʻi i ka hoʻomaʻamaʻa ʻana i kēia kaʻina hana me ka hoʻohana ʻana i ke aʻo ʻana i ka mīkini, ʻoi aku nā pūnaewele neural convolutional (CNNs).
ʻO DeepPicker a me Topaz-Denoise ʻelua hōʻano haʻawina hohonu ka mea e hiki ai i ke koho ʻokoʻa piha i ka cryo-EM, ka wikiwiki o ka hoʻoili ʻana a me ka nānā ʻana.
Ua lilo nā ala hoʻokele CNN i mea koʻikoʻi i ka wikiwiki ʻana i nā kaʻina hana Cryo-EM a me ka ʻae ʻana i nā mea noiʻi e nānā i nā noiʻi kiʻekiʻe ma o ka ʻike pono ʻana i nā ʻāpana me ka pololei kiʻekiʻe.
Hoʻonui i ka Crystallography me ka hoʻohana ʻana i ka hoʻohālike wānana
ʻO ka maikaʻi o ka ʻikepili diffraction a me nā hopena crystallization hiki ke loaʻa i ka hopena nui i ka hoʻoholo ʻana o ka hoʻolālā i ka macromolecular crystallography.
Ua hoʻohana maikaʻi ʻia nā ʻenehana neural artificial (ANNs) a me nā mīkini vector kākoʻo (SVMs) no ka hoʻopaʻa pono ʻana i nā hoʻonohonoho crystallization a wānana i ka maikaʻi o ka diffraction kristal. ʻO nā hiʻohiʻona wānana i hana ʻia e nā mea noiʻi e kōkua i ka hoʻolālā ʻana i nā hoʻokolohua a hoʻonui i ka holomua o nā hoʻokolohua crystallization.
Hiki i kēia mau hiʻohiʻona ke wehe i nā hiʻohiʻona e alakaʻi i nā hopena maikaʻi ma o ka loiloi ʻana i ka nui o ka ʻikepili crystallization, e kōkua ana i nā mea noiʻi i ka hana ʻana i nā kristal kiʻekiʻe no nā hoʻāʻo ʻokoʻa X-ray ma hope. ʻO ka hopena, ua lilo ke aʻo ʻana i ka mīkini i mea pono no ka hoʻāʻo ʻana i ka crystallographic wikiwiki.
Hoʻomaikaʻi i ka Cryo-EM Structural Recognition
He mea koʻikoʻi ka hoʻomaopopo ʻana i ke ʻano lua o nā molekala olaola me ka hoʻohana ʻana i nā palapala ʻāina paʻa Cryo-EM no ka hoʻoholo ʻana i kā lākou mau hana a me nā pilina.
Ua hoʻohana ʻia nā ala hoʻonaʻauao mīkini, ʻo ia hoʻi nā hale hoʻonaʻauao hohonu e like me ka graph convolutional and recurrent networks, no ka huli ʻana i nā hiʻohiʻona kiʻekiʻe ma nā palapala cryo-EM.
Ke noiʻi nei kēia mau ʻano hana i nā hiʻohiʻona kūloko i nā palapala ʻāina paʻa, e ʻae ana i ka hoʻokaʻawale pololei ʻana o nā mea hana lua. Hiki i nā mea noiʻi ke noiʻi i nā hana kemika paʻakikī a loaʻa nā ʻike i kā lākou mau hana olaola ma o ka hoʻohana ʻana i kēia kaʻina hana koʻikoʻi.
Kiʻi: Cryo-EM hoʻoponopono hou o kahi hale
Ka Hale Hoʻohālike Crystallography a me ka Hoʻopaʻa ʻana i ka wikiwiki
ʻO ke kūkulu ʻana a me ka hōʻoia ʻana he mau hana koʻikoʻi i ka macromolecular crystallography e hōʻoia i ka pololei a me ka hilinaʻi o ke kumu hoʻohālike.
Ua hoʻohana ʻia nā ʻenehana aʻo mīkini e like me convolutional autoencoders a me nā hiʻohiʻona Bayesian e kōkua a hoʻomaikaʻi i kēia mau kaʻina hana. No ka laʻana, hoʻohana ʻo AAnchor i nā CNN no ka ʻike ʻana i nā waikawa amino heleuma ma nā palapala ʻāina paʻa Cryo-EM, e kōkua ana i ka hoʻomohala ʻana i nā kumu hoʻohālike.
Ua hoʻohana pū ʻia nā hiʻohiʻona aʻo mīkini Bayesian no ka hoʻohui ʻana i ka ʻikepili diffraction X-ray a hāʻawi i nā pūʻulu lewa ma nā palapala ʻāina hoʻopaʻapaʻa electron mole liʻiliʻi.
ʻAʻole wikiwiki kēia mau holomua i ka hoʻoholo ʻana i ka hoʻolālā akā hāʻawi pū kekahi i nā loiloi ʻoi aku ka nui o ka maikaʻi o ke kumu hoʻohālike, ka hopena i nā hopena noiʻi ikaika a hiki ke hana hou ʻia.
ʻO ka wā e hiki mai ana ke aʻo ʻana i nā mīkini ma Structural Biology
E like me ka mea i ʻike ʻia e ka ulu ʻana o nā paʻi ʻepekema, ke hoʻomaikaʻi mau nei ka hoʻohui ʻana o ka mīkini aʻo i ka cryo-EM a me ka crystallography, e hāʻawi ana i kahi plethora o nā hoʻonā hou a me nā noi.
Ke hoʻohiki nei ke aʻo ʻana i ka mīkini e hoʻololi hou i ke ʻano biology structural me ka hoʻomau mau ʻana o nā algorithms ikaika a me ka hoʻonui ʻana i nā kumuwaiwai curated.
ʻO ka synergy ma waena o ke aʻo ʻana i ka mīkini a me ka biology structural e wehe i ke ala no ka ʻike a me ka ʻike i ka honua atomic a me ka molecular, mai ka hoʻoholo wikiwiki ʻana i ka ʻike lāʻau a me ka ʻenekinia protein.
Ke hoʻomau nei ka noiʻi e pili ana i kēia kumuhana hoihoi i ka poʻe ʻepekema e hoʻohana i ka mana o AI a wehe i nā mea pohihihi o nā poloka hale o ke ola.
Panina
ʻO ka hoʻohui ʻana o nā ʻenehana aʻo mīkini i loko o ka crystallography a me ka microscopy cryo-electron ua wehe i kahi makahiki hou i ka biology structural.
Ua wikiwiki loa ka aʻo ʻana i ka mīkini i ka wikiwiki o ka noiʻi ʻana a lawe mai i nā ʻike like ʻole i ka honua atomic a me ka molecular, mai ka hoʻomaʻamaʻa ʻana i nā hana paʻakikī e like me ke koho ʻana i ka particle a hiki i ka hoʻomaikaʻi ʻana i ka hoʻohālike wānana no ka crystallization a me ka maikaʻi o ka diffraction.
Hiki i nā mea noiʻi ke loiloi maikaʻi i ka nui o ka ʻikepili me ka hoʻohana ʻana i ka convolutional nā hanana laulā a me nā algorithms holomua ʻē aʻe, e kali koke ana i nā hale aniani a me ka unuhi ʻana i ka ʻike waiwai mai nā palapala ʻāina ʻo cryo-electron microscopy density.
ʻAʻole wale kēia mau hoʻomohala e wikiwiki i nā hana hoʻokolohua akā ʻae pū kekahi i ka noiʻi hohonu ʻana o nā hale a me nā hana olaola.
ʻO ka mea hope loa, ke hoʻololi nei ka hui ʻana o ke aʻo ʻana i ka mīkini a me ka biology structural i nā ʻāina o ka crystallography a me cryo-electron microscopy.
ʻO ka hui pū ʻana, ke hoʻokokoke nei kēia mau ʻenehana ʻokiʻoki iā mākou i kahi ʻike maikaʻi aʻe o ka honua atomic a me ka molecular, e hoʻohiki ana i nā holomua hoʻololi pāʻani i ka noiʻi waiwai, ka hoʻomohala ʻana i nā lāʻau lapaʻau, a me nā mīkini paʻakikī o ke ola ponoʻī.
Ke apo nei mākou i kēia palena hou hoihoi, ʻālohilohi ka wā e hiki mai ana o ka biology structural me nā hiki ʻole palena ʻole a me ka hiki ke hoʻoponopono i nā puʻupuʻu paʻakikī loa.
Waiho i ka Reply