生物分子纤维的冷冻电镜图像分析技术研究

螺旋体重构虽然历史悠久，但是螺旋体的螺旋对称性测定仍然具有挑战性。即使是高度规则的螺旋体，例如烟草花叶病毒，要想测定其螺旋对称性，依旧是困难的，如何做衍射标定，以及从多种可能性中找到正确的对称性，即使有经验的研究人员也是一种挑战。冷冻电镜的出现，极大的推动了结构生物学的发展，更多柔性的螺旋蛋白纤维的结构测定成为可能，但其柔性的特点，从衍射空间获取的信息变得更少，螺旋对称性的测定更具有挑战性。本项目基于晶体学和图像分析技术，分析估计螺旋对称性。对于规则的螺旋体而言，基于传统的Fourier-Bessel方法开发辅助程序计算出各种可能性的螺旋对称性；对于柔性的纤维，通过统计和相关分析计算，以及衍射空间信息估计对称性信息。通过一年的实践，开发了一款专门用于螺旋体对称性测定的图形分析程序Picker，从螺旋体的挑选到螺旋参数测定(https://github.com/lyw8120/picker)。Picker程序能够方便地显示图像，并对图像进行分析，手动或通过机器学习挑选纤维，Fourier-Bessel方法用于规则螺旋体的分析，统计和相关分析用于柔性纤维的分析。先后成功地测定了大豆凝结素(soybean agglutinin)的结构和帕金森症中淀粉样沉淀alpha-synuclein的突变型E46K的结构（Nature Communication，处于第一轮修改阶段，同时发布到预印网站，doi: https://doi.org/10.1101/870758）。 本程序极大地减轻了科研人员的工作量，缺乏经验的科研人员亦能够快速上手，并提高了螺旋对称性测定的准确性，降低了螺旋体重构的难度。 2100433B

冷冻电子显微镜技术促进了结构生物学的发展，生物分子结构解析不在局限于晶体学方法。软件和硬件技术的更新迭代使得基于冷冻电子显微镜的单颗粒分析技术能够解析出近原子分辨率的结构。生物分子形成的螺旋体纤维，是单颗粒分析技术中特殊的对象。不同于冰层中的孤立的分子，纤维重构需要测定其精确的螺旋参数，方可到达高分辨率的结构。为此，螺旋参数是纤维结构重构的关键因素。然而，纤维的多态性，以及样品的不均一性给参数测定带来极大的困扰。因此，本项目通过图像处理，机器学习（深度学习）等技术解决重构中的螺旋参数问题。本项目研究将有利于纤维结构重构，以期获得高分辨率的结构。

2020年6月2日，《中空纤维膜丝截面结构尺寸的测定―图像分析法》发布。

2021年4月1日，《中空纤维膜丝截面结构尺寸的测定―图像分析法》实施。

《中空纤维膜丝截面结构尺寸的测定—图像分析法》（GB/T 38902-2020）用图像分析技术对膜丝截面的显微图像进行处理，从整体上对膜丝截面的尺寸进行测定，避免单个点测量带来的误差；依据中空纤维膜的过滤原理对测得的周长、面积等数据进行相应的处理，最终得到科学的、可靠的膜丝尺寸数据。该标准的制定有利于填补中空纤维膜丝尺寸测定没有统一标准的空白。通过图像分析法进行测定能够解决现存的问题，并提供了一种便捷、科学、可靠的测量方式，规范膜丝尺寸测试，为中空纤维膜的研发和和制造中的检测需求提供技术支持。 2100433B

《中空纤维膜丝截面结构尺寸的测定—图像分析法》（GB/T 38902-2020）规定了采用图像分析法对中空纤维膜丝直径和壁厚进行测定和计算的方法。该标准适用于中空纤维膜丝截面结构尺寸的测定。

注：该标准所指的“直径”包括膜丝的外径和内径，对于非圆形截面时指等效圆面积直径。