Unbend: Correction of local beam-induced sample motion in cryo-EM images using a 3D spline model

Immagina di cercare di scattare una foto cristallina a un fiocco di neve minuscolo e delicato mentre si trova su un vetro che si sta lentamente deformando e torcendo sotto il calore del sole. Questo è essenzialmente ciò che i ricercatori affrontano quando usano i criomicroscopi elettronici per fotografare campioni biologici congelati. Il potente fascio di elettroni utilizzato per vedere queste minuscole strutture agisce come quel sole, facendo sì che il campione congelato traballi, si pieghi e si distorca mentre l'immagine viene scattata.

Per un certo periodo, gli scienziati hanno avuto uno strumento chiamato Unblur per risolvere il problema. Pensa a Unblur come a un editor di foto che può raddrizzare un'intera immagine se la fotocamera ha tremato. Funziona bene se l'intera immagine si muove in un'unica direzione, come un'auto che passa accanto a te. Ma fallisce quando il campione stesso si piega localmente — come un pezzo di gelatina che traballa in modi diversi in punti diversi. Unblur non può correggere quelle distorsioni specifiche e ondulatorie.

Entra in scena Unbend, il nuovo strumento descritto in questo articolo. Se Unblur è un raddrizzatore, Unbend è uno scultore sofisticato. Utilizza un "modello spline 3D", che puoi immaginare come una griglia flessibile e invisibile di elastici tesi sopra i fotogrammi del campione. Questa griglia non si limita a spostare l'intera immagine; può tirare, spingere e torcere piccole sezioni dell'immagine indipendentemente, per eliminare i piccoli traballi e le pieghe locali.

I ricercatori hanno testato questo nuovo strumento su una varietà di "scene congelate", tra cui intere cellule, sottili fette di cellule (lamelle) e "zuppe cellulari" (lisati). Volevano vedere se questo nuovo modo di correggere l'immagine aiutasse effettivamente a vedere meglio i minuscoli dettagli.

Per verificare il loro lavoro, hanno utilizzato un metodo chiamato "corrispondenza di modelli 2D" (2D template matching). Puoi pensare a questo come a un detective indipendente e molto severo che esamina le foto corrette alla ricerca di un sospetto specifico: le grandi subunità ribosomiali (minuscole macchine all'interno delle cellule). Questo detective non sa come le foto siano state corrette; cerca solo l'obiettivo.

I risultati sono stati impressionanti:

• Immagini più chiare: il "rapporto segnale-rumore" (quanto l'immagine è chiara rispetto al disturbo statico) è migliorato del 3% o dell'8%.
• Maggiore successo: il numero di queste minuscole macchine che potevano essere trovate e contate con successo è salito fino al 300%. È come trovare tre volte più oggetti nascosti in una stanza disordinata semplicemente pulendo l'illuminazione.
• Correzione sicura: il team ha controllato che la loro griglia di "elastici" non tendesse troppo il campione. Hanno scoperto che lo stiramento effettivo era inferiore all'1%, il che significa che lo strumento ha corretto il traballo senza schiacciare il campione in una nuova forma falsa.

Infine, hanno esaminato grandi gruppi di immagini (montaggi) e hanno scoperto qualcosa di sorprendente: anche all'interno di un singolo campione, il modo in cui si deformava era diverso da un punto all'altro. Non era un tremolio uniforme; era una danza complessa e irregolare di distorsione.

In breve, Unbend è un nuovo aggiornamento software che agisce come una griglia tecnologica e flessibile per levigare i piccoli movimenti e le pieghe locali nelle foto biologiche congelate, permettendo agli scienziati di trovare e vedere le minuscole strutture cellulari con molta più chiarezza rispetto a prima.