基于人工智能的新型软件能够快速可靠地对细胞中的蛋白质进行成像

电子冷冻断层扫描(cryo-ET)正在成为一种强大的技术，可以提供细胞环境和封闭生物分子的详细3D图像。然而，该方法的挑战之一是鉴定图像中的蛋白质分子以进行进一步处理。

由Thorsten Wagner领导的多特蒙德分子生理学MPI主任Stefan Raunser周围的研究小组开发了在拥挤的细胞体积中挑选蛋白质的软件。新的开源工具称为TomoTwin，基于深度度量学习，允许科学家以高精度和通量定位几种蛋白质，而无需每次都手动创建或重新训练网络。

该论文发表在Nature Methods杂志上。

“TomoTwin为直接在其细胞环境中自动识别和定位蛋白质铺平了道路，扩大了冷冻电子断层扫描的潜力，”该出版物的共同第一作者Gavin Rice说。冷冻电子断层扫描有可能破译生物分子在细胞内的工作方式，从而揭示生命的基础和疾病的起源。

在冷冻电子断层扫描实验中，科学家使用透射电子显微镜获得含有复杂生物分子的细胞体积的3D图像，称为断层扫描。为了获得每种不同蛋白质的更详细的图像，他们平均了尽可能多的副本 - 类似于摄影师在不同的曝光下拍摄相同的照片，然后将它们组合成完美曝光的图像。至关重要的是，在平均之前，必须正确识别和定位图片中的不同蛋白质。“科学家每天可以获得数百个断层扫描，但我们缺乏完全识别其中分子的工具，”赖斯说。

到目前为止，研究人员已经使用基于已知分子结构模板的算法来搜索断层图中的匹配项，但这些往往容易出错。手动识别分子是确保高质量采摘的另一种选择，但每个数据集需要数天到数周的时间。

另一种可能性是使用一种形式的监督机器学习。这些工具可能非常准确，但目前缺乏可用性，因为它们需要手动标记数千个示例来训练每种新蛋白质的软件，这对于拥挤的细胞环境中的小生物分子来说几乎是不可能的任务。

断层双胞胎

新开发的TomoTwin软件克服了许多障碍：它学会在断层图中挑选形状相似的分子，并将它们映射到几何空间 - 系统因将相似的蛋白质彼此靠近而获得奖励，否则将受到惩罚。在新图中，研究人员可以分离并准确识别不同的蛋白质，并利用它将它们定位在细胞内。

“TomoTwin的一个优势是我们提供了一个预先训练好的拣选模型，”Rice说。通过删除训练步骤，该软件甚至可以在本地计算机上运行 - 处理断层图通常需要60-90分钟，MPI超级计算机Raven上的运行时间减少到每个断层图15分钟。

TomoTwin允许研究人员在手动选择单个断层图所需的时间内选择数十张断层图，从而提高数据吞吐量和平均率以获得更好的图像。该软件目前可以在细胞中定位球状蛋白或大于150千道尔顿的蛋白质复合物;未来，Raunser小组的目标是包括膜蛋白，丝状蛋白和较小尺寸的蛋白质。