Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has become a tool of fundamental importance in structural biology, helping us understand the basic building blocks of life. The algorithmic challenge of cryo-EM is to jointly estimate the unknown 3D poses and the 3D electron scattering potential of a biomolecule from millions of extremely noisy 2D images. Existing reconstruction algorithms, however, cannot easily keep pace with the rapidly growing size of cryo-EM datasets due to their high computational and memory cost. We introduce cryoAI, an ab initio reconstruction algorithm for homogeneous conformations that uses direct gradient-based optimization of particle poses and the electron scattering potential from single-particle cryo-EM data. CryoAI combines a learned encoder that predicts the poses of each particle image with a physics-based decoder to aggregate each particle image into an implicit representation of the scattering potential volume. This volume is stored in the Fourier domain for computational efficiency and leverages a modern coordinate network architecture for memory efficiency. Combined with a symmetrized loss function, this framework achieves results of a quality on par with state-of-the-art cryo-EM solvers for both simulated and experimental data, one order of magnitude faster for large datasets and with significantly lower memory requirements than existing methods.


翻译:冷冻电子显微镜(cryo-EM)已成为结构生物学中具有根本重要性的工具,有助于我们理解基本生命的构件。冷冻电子的算法挑战在于共同估计未知的3D成份和数以百万计的极吵的2D图像的生物分子散布潜力。然而,现有的重建算法由于计算和记忆成本高,难以跟上冷冻电子显微数据集迅速增长的步伐。我们引入了冷冻AAI,这是利用直接梯度优化粒子成份和单粒子冷冻EM数据电子散布潜力的同质相容的初始重建算法。CryoAI将预测每个粒子成份的成份和基于物理的解码汇总每个粒子图像的3D电子散射潜力合并成一个隐含的缩影表示。这个量储存在Fourier域,用于计算效率和利用现代协调网络结构来提高记忆效率。结合一个对粒子成分层损失功能,以及单粒子冷冻电子散布潜力。这个框架将预测每个粒子图像的成型成型成型成型的快速的模型,同时实现现有数据质量的磁极低级的模型,同时实现现有数据质量。

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