我国科学家提出一种基于预测结构的单颗粒衍射成像重构算法

21世纪生命科学迅猛发展，对生物大分子的结构研究在世界各地兴起，冷冻电镜是个当仁不让的先锋，而自由电子激光衍射分析则是责无旁贷的主力军。X射线自由电子激光作为第四代光源的代表，具有超短脉冲、超高亮度等特点，能够适用于常温常压下生物大分子颗粒动态过程的研究，在接近真实的环境下，探究生命的奥秘。然而，由于单颗粒衍射数据存在信噪比低、衍射图数量少、低分辨率数据缺失等问题，数据处理和结构解析仍存在严峻的挑战，国内在该领域的研究工作，尚处于起步阶段。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室SM6组的丁玮研究团队与高能物理所耿直工程师合作，以博士生焦志超为主要研发力量，提出了一种基于预测结构的单颗粒衍射成像重构算法。该算法在传统重构算法的基础上，引入了蛋白质分子的预测结构，作为单颗粒衍射取向解析和相位恢复的初始三维强度和相位，并利用迭代算法优化衍射图取向和三维衍射强度的相位，直至收敛。测试结果表明，该算法能够大幅提升取向解析和相位恢复算法的收敛速度，并显著提高信噪比低、数量少、低分辨率数据缺失严重等困难数据的结构解析成功率。该算法的理论分析与代码实现完全由国内科学家独立完成，具有核心的知识产权，填补了国内在该领域的技术空白。

这一成果近期以“A predicted model-aided reconstruction algorithm for X-ray free-electron laser single-particle imaging”为题，发表在IUCrJ期刊上。物理所为第一完成单位，丁玮工程师和耿直工程师为本文的通讯作者，博士生焦志超为本文的第一作者，参与工作的还有纽约大学阿布扎比分校科学家何尧、物理所博士生付兴科和香港大学博士生张鑫，此外物理所博士生王宾堂、程渊淏和李增茹参与了该工作的讨论。该工作获得了国家自然科学基金和中国科学院的支持。

论文链接：https://journals.iucr.org/m/issues/2024/04/00/it5035/index.html#suppinfoanchor

图1算法流程图