冷冻电镜,全称冷冻电子显微镜技术(Cryo-Electron Microscopy),是应用冷冻固定技术,低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术,可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品,如生物、高分子材料等。冷冻电镜的出现,不仅解决了生物分子结构解析中的许多难题,还改变了许多生物领域的研究方式,在细胞生物学、医学、遗传学等大部分领域都有广阔的应用前景。

 

冷冻电镜流程介绍

样品冷冻:样品溶液迅速冷却,以至于水分子来不及结晶,从而形成对样品结构几乎没有破坏的非结晶固体。
冷冻成像:根据颗粒浓度、分布和取向来筛选样品,然后获取一系列图像,并通过计算提取二维投影图像。
三维重构:数据经过重构软件的处理,生成准确、详细的亚细胞和分子级复杂生物结构3D模型。

 

三维重构的基本原理和基本步骤如下:

基本原理:
对相同生物大分子的某方向进行投影,再进行调整,叠加平均,提高信噪比,使共同部分的结构信息得到加强,最后对各种不同方向的投影在三维空间中进行重构,从而获得其三维结构信息。
基本步骤:
(一) 玻璃态样品的准备。
(二) 粒子的采集:选择颗粒平均分布的样品区,进行定位和拍照。
(三) 粒子参量的确定与分类:不同粒子之间的空间关系的确立;粒子分类不仅将大量的原始资料压缩成若干类,而且在分类的过程中经过平均消除了噪声。
(四) 3D重构:对大量优质的二位图像进行三维重构。
(五) 粒子参量的优化:初始重构的投影来优化粒子参量,新计算出来的重构图像又被用于下一轮的优化。如此反复,直到模型投影和原初的图像重合。
(六) 提高分辨率:图像的傅立叶转换须经过CTF(contrast transfer fuction)调整,为了得到高分辨率的重构图像,不仅相位要调到预定的分辨率区域,幅度也需要调整。
(七) 分辨率评估和结构解析,评估重构图像的有效分辨率。

 

冷冻电镜三维重构面临严重的科学问题,为解决这些问题,许多软件应运而生。
- 冷冻电镜三维重构需采集大量图像数据,颗粒图像信噪比极低,成像样品不均一,颗粒图像识别软件Picker可以快速、准确进行蛋白颗粒的挑选。
- 冷冻电镜三维重构计算时间极其漫长,重构并行软件EMAN2可以对三维重构结果精度优化,从而获得高性能计算。
- 在冷冻电镜中,能够捕捉到大量高分辨率的图像,利用RELION这一由GPU加速的开源软件程序可以来处理并重建3D图像。

 

 

冷冻电镜成功案例

 

硬件配置推荐

GPU助力冷冻电镜技术探究内在世界
对冷冻电镜三维重构技术,受益于GPU 的计算能力,得以在短时间内展开了新的思路。依赖于GPU来加速图形处理、进而重建高分子结构,通过 GPU 并行加速,实现蛋白颗粒的分组,结构重构以及结果优化。 冷冻电镜技术,在分子运动过程中将其冷冻,在原子分辨率水平下对其进行描绘,以查看前所未有的生物过程。这让我们对生命中涉及的化学问题也有了更深的理解,对于新药开发也具有关键性意义。 冷冻电镜可以帮助更好地理解疾病,甚至找出人体生物钟相关的蛋白质结构。利用这一技术来探索引起抗生素耐药性的蛋白质架构,并生成与阿尔茨海默病相关酶的3D结构,这些研究成果为人类生物医学的发展做出了重大的贡献。

 

GPU加速运算指以图形处理单元(GPU)搭配CPU,藉以加速科学、工程和企业应用。
GPU加速运算提供前所未见的应用效能,能将应用程式中运算密集的工作负载转移到GPU,并由CPU执行其他程式码,从而加快应用程式的执行速度。

 

冷冻电镜集群典型配置

 

XP-22303G PSC-HC2X XP-48201G XP-42302ST
- 2U机架式
- 处理器:2 x Intel® Xeon® Scalable 系列处理器
硬盘:
- 前置12 x 3.5”/25 x 2.5”/24 x 2.5”HDD硬盘位
- 内置2 x M.2 SSD硬盘位
- 后置可扩展4 x 3.5”+4 x 2.5”HDD硬盘位
- GPU:支持 2 片GPU卡片
- 塔式工作站
- 处理器:2 x 英特尔®至强®Scalable系列处理器
- 硬盘:8 x 3.5”/2.5”热插拔硬盘
- GPU:支持 4 片GPU卡片
- 4U机架式
- 处理器:2 x 英特尔® 至强® Scalable系列处理器
- 硬盘:24 x 2.5“+6 x3.5”热插拔硬盘
- GPU:支持 8 片GPU卡片
- 4U机架式
- 处理器:2 x 英特尔®至强®Scalable系列处理器
- 硬盘:36 x 3.5”/2.5“热插拔硬盘