冷冻电镜（Cryo-EM）中的人工智能

主要观点总结

本文介绍了冷冻电镜技术在生物分子结构研究领域取得的突破性进展，成为结构生物学领域最具影响力的研究方法之一。文章详细阐述了冷冻电镜技术的优势及在单颗粒分析、三维图谱重建、模型构建、后处理、原子模型构建等方面的发展。同时，也指出了当前面临的挑战和未来技术发展的方向，特别是与人工智能技术的结合，为冷冻电镜技术的发展开辟了新的途径。文章还介绍了哈佛医学院的冷冻电镜设备及相关研究情况。

关键观点总结

关键观点1: 冷冻电镜技术的突破性进展和结构生物学领域的应用

冷冻电镜技术能够在近原子分辨率水平上对各种规模的生物分子及其复合物进行全方位表征，这一“分辨率革命”得益于硬件设备的升级和图像处理软件的进步。近年来，随着人工智能技术的快速发展，深度学习方法被广泛应用于冷冻电镜数据处理的各个环节，大大提高了结构分析的效率和准确性。

关键观点2: 颗粒选择方法的演变和挑战

颗粒选择是冷冻电镜技术中的关键步骤之一。传统方法包括模板匹配、边缘检测和特征提取等，但存在依赖于图像质量的问题。深度学习技术在颗粒选择领域取得了显著进展，自动化颗粒选择工具如DeepPicker、DeepEM、TOPAZ、WARP和crYOLO等经历了重要的演变。然而，当前深度学习方法仍面临着低信噪比图像处理的挑战，如何在低信噪比条件下保持较高的检测准确率将是未来研究的重要方向。

关键观点3: 三维图谱重建和模型构建的发展

三维重建方法实现了对生物大分子的原子级观察。传统的三维重建方法如投影匹配技术面临精确度与计算效率的双重挑战。基于统计学的最大似然方法和随机梯度下降算法的应用推动了这一领域的发展。此外，深度学习算法在揭示生物大分子的动态特性方面展现出巨大潜力，如CryoGAN、CryoDRGN和3DFlex等方法各具特色。然而，如何准确评估和验证这些三维图谱的分辨率仍然是一个挑战，基于深度学习的分辨率评估方法开始崭露头角。

关键观点4: 冷冻电镜技术与人工智能的融合

人工智能在冷冻电镜数据处理中发挥着重要作用。CNN模型在图像分类和颗粒识别方面展现出卓越性能，新型神经网络算法的开发使得异质样品的高分辨率3D结构重建成为可能。基于AI的结构预测工具为解决复杂数据分析提供了新的可能，尤其是在从体外纯化样品分析转向天然细胞提取物研究的转变中。

文章预览

自 2013 年以来，冷冻电镜（ cryo-EM ）技术在生物分子结构研究领域取得了突破性进展，其独特优势使其成为结构生物学领域最具影响力的研究方法之一。 与传统的 X 射线晶体学和核磁共振等技术相比，冷冻电镜能够在近原子分辨率水平上对各种规模的生物分子及其复合物进行全方位表征。这一 " 分辨率革命 " 得益于硬件设备的升级和图像处理软件的进步。特别是在单颗粒分析领域，该技术能够揭示分子间的构象变化和复合物中的柔性区域，为理解生物分子功能机制提供了重要依据。 近年来，随着人工智能技术的快速发展，深度学习方法被广泛应用于冷冻电镜数据处理的各个环节，从颗粒拾取到三维重建，大大提高了结构分析的效率和准确性。这些创新不仅推动了结构生物学研究的进步，也为新药研发提供了重要的技术支持。然而，处理复杂的异 ………………………………