冷凍電鏡，全稱冷凍電子顯微鏡技術(shù)（Cryo-Electron Microscopy），是應(yīng)用冷凍固定技術(shù)，低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)，可實現(xiàn)直接觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料等。冷凍電鏡的出現(xiàn)，不僅解決了生物分子結(jié)構(gòu)解析中的許多難題，還改變了許多生物領(lǐng)域的研究方式，在細(xì)胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)等大部分領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。
冷凍電鏡流程介紹
樣品冷凍：樣品溶液迅速冷卻，以至于水分子來不及結(jié)晶，從而形成對樣品結(jié)構(gòu)幾乎沒有破壞的非結(jié)晶固體。
冷凍成像：根據(jù)顆粒濃度、分布和取向來篩選樣品，然后獲取一系列圖像，并通過計算提取二維投影圖像。
三維重構(gòu)：數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)軟件的處理，生成準(zhǔn)確、詳細(xì)的亞細(xì)胞和分子級復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)3D模型。
三維重構(gòu)的基本原理和基本步驟如下：
基本原理：
對相同生物大分子的某方向進(jìn)行投影，再進(jìn)行調(diào)整，疊加平均，提高信噪比，使共同部分的結(jié)構(gòu)信息得到加強，最后對各種不同方向的投影在三維空間中進(jìn)行重構(gòu)，從而獲得其三維結(jié)構(gòu)信息。
基本步驟：
(一) 玻璃態(tài)樣品的準(zhǔn)備。
(二) 粒子的采集：選擇顆粒平均分布的樣品區(qū)，進(jìn)行定位和拍照。
(三) 粒子參量的確定與分類：不同粒子之間的空間關(guān)系的確立；粒子分類不僅將大量的原始資料壓縮成若干類，而且在分類的過程中經(jīng)過平均消除了噪聲。
(四) 3D重構(gòu)：對大量優(yōu)質(zhì)的二位圖像進(jìn)行三維重構(gòu)。
(五) 粒子參量的優(yōu)化：初始重構(gòu)的投影來優(yōu)化粒子參量，新計算出來的重構(gòu)圖像又被用于下一輪的優(yōu)化。如此反復(fù)，直到模型投影和原初的圖像重合。
(六) 提高分辨率：圖像的傅立葉轉(zhuǎn)換須經(jīng)過CTF(contrast transfer fuction)調(diào)整，為了得到高分辨率的重構(gòu)圖像，不僅相位要調(diào)到預(yù)定的分辨率區(qū)域，幅度也需要調(diào)整。
(七) 分辨率評估和結(jié)構(gòu)解析，評估重構(gòu)圖像的有效分辨率。
冷凍電鏡三維重構(gòu)面臨嚴(yán)重的科學(xué)問題，為解決這些問題，許多軟件應(yīng)運而生。
- 冷凍電鏡三維重構(gòu)需采集大量圖像數(shù)據(jù)，顆粒圖像信噪比極低，成像樣品不均一，顆粒圖像識別軟件Picker可以快速、準(zhǔn)確進(jìn)行蛋白顆粒的挑選。
- 冷凍電鏡三維重構(gòu)計算時間極其漫長，重構(gòu)并行軟件EMAN2可以對三維重構(gòu)結(jié)果精度優(yōu)化，從而獲得高性能計算。
- 在冷凍電鏡中，能夠捕捉到大量高分辨率的圖像，利用RELION這一由GPU加速的開源軟件程序可以來處理并重建3D圖像。
硬件配置推薦
GPU助力冷凍電鏡技術(shù)探究內(nèi)在世界
對冷凍電鏡三維重構(gòu)技術(shù)，受益于GPU 的計算能力，得以在短時間內(nèi)展開了新的思路。依賴于GPU來加速圖形處理、進(jìn)而重建高分子結(jié)構(gòu)，通過 GPU 并行加速，實現(xiàn)蛋白顆粒的分組，結(jié)構(gòu)重構(gòu)以及結(jié)果優(yōu)化。 冷凍電鏡技術(shù)，在分子運動過程中將其冷凍，在原子分辨率水平下對其進(jìn)行描繪，以查看前所未有的生物過程。這讓我們對生命中涉及的化學(xué)問題也有了更深的理解，對于新藥開發(fā)也具有關(guān)鍵性意義。 冷凍電鏡可以幫助更好地理解疾病，甚至找出人體生物鐘相關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用這一技術(shù)來探索引起抗生素耐藥性的蛋白質(zhì)架構(gòu)，并生成與阿爾茨海默病相關(guān)酶的3D結(jié)構(gòu)，這些研究成果為人類生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了重大的貢獻(xiàn)。
GPU加速運算指以圖形處理單元(GPU)搭配CPU，藉以加速科學(xué)、工程和企業(yè)應(yīng)用。
GPU加速運算提供前所未見的應(yīng)用效能，能將應(yīng)用程式中運算密集的工作負(fù)載轉(zhuǎn)移到GPU，并由CPU執(zhí)行其他程式碼，從而加快應(yīng)用程式的執(zhí)行速度。
冷凍電鏡集群典型配置
4U機架式
- 處理器：2 x 英特爾? 至強? Scalable系列處理器
- 硬盤：24 x 2.5“/24 x3.5”熱插拔硬盤
- GPU：支持 8 片GPU卡片
- 2U機架式
- 處理器：2 x Intel? Xeon? Scalable 系列處理器
硬盤：
- 前置8 x x 2.5”HDD硬盤位
- 內(nèi)置2 x M.2 SSD硬盤位
- GPU：支持 8 片GPU卡片
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