Overcoming the preferred orientation problem in cryoEM with self-supervised deep-learning

方向(向量空间) 各向同性 人工智能 粒子(生态学) 计算机科学 计算机视觉 几何学 数学 物理 光学 生物 生态学
作者
Yun-Tao Liu,Hongcheng Fan,Jason J. Hu,Z. Hong Zhou
标识
DOI:10.1101/2024.04.11.588921
摘要

While advances in single-particle cryoEM have enabled the structural determination of macromolecular complexes at atomic resolution, particle orientation bias (the so-called "preferred" orientation problem) remains a complication for most specimens. Existing solutions have relied on biochemical and physical strategies applied to the specimen and are often complex and challenging. Here, we develop spIsoNet, an end-to-end self-supervised deep-learning-based software to address the preferred orientation problem. Using preferred-orientation views to recover molecular information in under-sampled views, spIsoNet improves both angular isotropy and particle alignment accuracy during 3D reconstruction. We demonstrate spIsoNet's capability of generating near-isotropic reconstructions from representative biological systems with limited views, including ribosomes, β-galactosidases, and a previously intractable hemagglutinin trimer dataset. spIsoNet can also be generalized to improve map isotropy and particle alignment of preferentially oriented molecules in subtomogram averaging. Therefore, without additional specimen-preparation procedures, spIsoNet provides a general computational solution to the preferred orientation problem.
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