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

Stel je voor dat je probeert een kristalheldere foto te maken van een piepkleine, delicate sneeuwvlok terwijl deze op een vensterbank ligt die langzaam vervormt en draait onder de hitte van de zon. Dat is in essentie waar wetenschappers voor staan wanneer ze cryo-elektronenmicroscopen gebruiken om bevroren biologische monsters te fotograferen. De krachtige elektronenstraal die wordt gebruikt om deze minuscule structuren te zien, werkt als die zon; het zorgt ervoor dat het bevroren monster wiebelt, buigt en vervormt terwijl de foto wordt genomen.

Een tijdje hadden wetenschappers een hulpmiddel genaamd Unblur om dit te herstellen. Denk aan Unblur als een fotobewerker die een hele foto recht kan zetten als de camera bewoog. Het werkt goed als de hele afbeelding in één richting beweegt, zoals een auto die voorbijrijdt. Maar het faalt wanneer het monster zelf lokaal buigt — zoals een stuk gelei dat op verschillende plekken op verschillende manieren wiebelt. Unblur kan die specifieke, wiebelige vervormingen niet herstellen.

Maak kennis met Unbend, het nieuwe hulpmiddel dat in dit artikel wordt beschreven. Als Unblur een rechtzetter is, dan is Unbend een verfijnde beeldhouwer. Het maakt gebruik van een "3D-splinemodel", wat je kunt zien als een flexibel, onzichtbaar rooster van elastieken dat over de filmframes van het monster is gespannen. Dit rooster verplaatst niet alleen het hele beeld; het kan kleine secties van de afbeelding onafhankelijk van elkaar trekken, duwen en draaien om de lokale wiebelingen en buigingen glad te strijken.

De onderzoekers testten dit nieuwe hulpmiddel op een verscheidenheid aan "bevroren scènes", waaronder hele cellen, dunne plakjes cellen (lamellen) en celsoepen (lysaten). Ze wilden zien of deze nieuwe manier van het beeld corrigeren daadwerkelijk hielp om de minuscule details beter te zien.

Om hun werk te controleren, gebruikten ze een methode genaamd "2D-template matching". Je kunt dit zien als een zeer strenge, onafhankelijke detective die de gecorrigeerde foto's doorzoekt naar een specifieke verdachte: grote ribosomale subeenheden (minuscule machines binnen cellen). Deze detective weet niet hoe de foto's zijn gecorrigeerd; hij zoekt alleen naar het doelwit.

De resultaten waren indrukwekkend:

• Helderdere beelden: De "signaal-ruisverhouding" (hoe duidelijk het beeld is vergeleken met de ruis) verbeterde met 3% tot 8%.
• Meer succes: Het aantal van deze kleine machines dat ze succesvol konden vinden en tellen, steeg met wel 300%. Dat is alsof je drie keer zoveel verborgen objecten vindt in een rommelige kamer door alleen de verlichting op te knappen.
• Veilige correctie: Het team controleerde of hun "elastiek"-rooster het monster niet te veel uitrekte. Ze ontdekten dat de werkelijke rek minder dan 1% was, wat betekent dat het hulpmiddel de wiebeling corrigeerde zonder het monster in een nieuwe, neppe vorm te drukken.

Ten slotte keken ze naar grote groepen afbeeldingen (montages) en ontdekten ze iets verrassends: zelfs binnen een enkel monster verschilde de manier waarop het vervormde van plek naar plek. Het was geen uniforme schok; het was een complexe, ongelijkmatige dans van vervorming.

Kortom, Unbend is een nieuwe software-upgrade die werkt als een hoogtechnologisch, flexibel rooster om de lokale wiebelingen en buigingen in bevroren biologische foto's glad te strijken, waardoor wetenschappers deze minuscule cellulaire structuren veel duidelijker kunnen vinden en zien dan voorheen.