Collaborative Research: III: Medium: Systematic De Novo Identification of Macromolecular Complexes in Cryo-Electron Tomography Images

合作研究:III:介质:冷冻电子断层扫描图像中大分子复合物的系统从头识别

基本信息

  • 批准号:
    2211598
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 39.95万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-10-01 至 2025-09-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Macromolecular structures inside a cell play key functional roles in various biochemical pathways and cellular processes that govern life. Identifying structures of novel macromolecules in a cell is fundamental for our understanding of how biomolecules work together to sustain life and how diseases occur. Cryo-electron tomography (cryo-ET) is a revolutionary imaging method that enables the systematic identification and discovery of unknown structures in their native cellular context with near-atomic resolution. However, this remarkable potential of cryo-ET is still unused due to the limitations of current computational methods. The existing computational methods can only recover known structures or require extensive manual efforts to identify unknown structures. To fill the gap, this project is aimed at developing a computational pipeline that can automatically identify novel and unknown biomolecular structures from cryo-ET data by developing and integrating a series of state-of-the-art computational methods. The open-source software and the algorithms to be developed in this project will have a wide range of applications in life science. The developed computational algorithms will be beneficial broadly in other related areas, such as medical image analysis and general computer vision. The project will train postdoctoral fellows, and graduate and undergraduate students of different backgrounds through interdisciplinary coursework and direct involvement with the project at Carnegie Mellon University and Purdue University. The knowledge disseminated from the project will be presented to graduate, undergraduate, and high school students and teachers through national and international online computational biology workshops and hackathons.Cryo-ET has a unique strength in visualizing structures and spatial localizations of macromolecular complexes in single cells. This project will develop three key techniques for de novo structural identification of macromolecules captured by Cryo-ET: 1) A novel fast and exhaustive search-based subtomogram alignment approach for improved de novo structural discovery of macromolecular complexes. 2) Novel approaches for fast shape search for discovered macromolecular complexes against a structural database. 3) Then, the developed approaches will be integrated into a computational pipeline that enables automatic large-scale identification of macromolecular complexes in Cryo-ET images. The pipeline and the software to be developed in this project will be integrated into the public database and the open-source platform AITom, so that they are ready to be used by the structural and cell biology community. Overall, this project will bring Cryo-ET to the next level which allows systematic macromolecule shape determination and identification through database searches.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
细胞内的大分子结构在控制生命的各种生化途径和细胞过程中发挥关键的功能作用。识别细胞中新的大分子结构对于我们理解生物分子如何共同维持生命以及疾病如何发生至关重要。冷冻电子断层扫描(cryo-ET)是一种革命性的成像方法,能够以近原子的分辨率系统地识别和发现天然细胞背景中的未知结构。然而,由于目前计算方法的限制,冷冻ET的这种显着潜力仍然未被使用。现有的计算方法只能恢复已知结构或需要大量的人工努力来识别未知结构。为了填补这一差距,该项目旨在开发一个计算管道,通过开发和整合一系列最先进的计算方法,可以从冷冻ET数据中自动识别新的和未知的生物分子结构。该项目开发的开源软件和算法将在生命科学中有广泛的应用。所开发的计算算法将在其他相关领域(如医学图像分析和通用计算机视觉)中广泛受益。该项目将通过跨学科课程和直接参与卡内基梅隆大学和普渡大学的项目来培训博士后研究员以及不同背景的研究生和本科生。该项目所传播的知识将通过国家和国际在线计算生物学研讨会和黑客松向研究生、本科生和高中学生和教师展示。Cryo-ET在可视化单细胞中大分子复合物的结构和空间定位方面具有独特的优势。该项目将开发三项用于Cryo-ET捕获的大分子从头结构鉴定的关键技术:1)一种新的基于快速和穷举搜索的亚断层图像对齐方法,用于改进大分子复合物的从头结构发现。2)针对结构数据库的大分子复合物快速形状搜索的新方法。3)然后,开发的方法将被集成到一个计算管道,使自动大规模识别的大分子复合物在Cryo-ET图像。该项目开发的管道和软件将被集成到公共数据库和开源平台AITom中,以便结构和细胞生物学社区使用。总的来说,该项目将使Cryo-ET进入一个新的水平,即通过数据库搜索进行系统的大分子形状测定和识别。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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