Local quality assessment of cryo-EM reconstructions and its applications.

Resumen

La crio-microscopía electrónica (cryoem) orientada a elucidar la estructura de complejos macromoleculares ha sufrido una considerable revolución en los últimos años. Los principales responsables de esta revolución son las técnicas de análisis de partículas individuales (Single Particle Analysis – SPA) y tomografía electrónica. En ambas, el resultado es obtención de estructura tridimensional del especimen. Sin embargo, es crítico determinar el grado de fiabilidad de la estructura reconstruida, este problema se soluciona gracias a las medidas de resolución. La resolución puede ser determinada como un parámetro global o como una propiedad local que varía espacialmente. El principal objetivo de esta tesis es el estudio de la resolución local y sus aplicaciones para la validación de las estructuras reconstruidas, así como su uso para “sharpening” local. Para ello hemos desarrollado un método, llamado MonoRes, que permite medir la resolución local de los mapas de densidad reconstruidos, este algoritmo representa el elemento central de la tesis. Así, otro algoritmo, MonoDir, fue diseñado para identificar problemas de reconstrución como pueden ser la existencia de direcciones preferentes de la muestra o errores de alineamiento. Nótese que el actual estado del arte no responder de manera inmediata y simultánea a ambas problemas de reconstrucción, en particular al segundo que puede ser debido a errores sistematicos. El método propuesto logra este acometido analizando la anisotropía de resolución local usando únicamente el mapa reconstruido. La medida y análisis de la resolución local puede emplear para realizar un sharpening del mapa y mejorar la visualización de la proteina manteniendo su factor de estructura. Para ello, fue desarrollado otro método llamado LocalDeBlur, el cual modifica las amplitudes de las diferentes frecuencias que contribuyen al mapa, pero teniendo en cuenta la información de la resolución local. Así mismo, también se muestran otros métodos usando variaciones del algoritmo de MonoRes. Uno de ellos es MonoTomo, el cual representa el primer algoritmo de resolución local en tomografía electrónica. La estimación de la resolución local in tomografía electrónica involucra trabajar con ruido espacialmente dependiente y mapas de gran tamaño. Los métodos propuestos extienden el concepto de resolución no solo de global a local, sino que muestran que la resolución es un tensor mostrando dependencia de la posición así como de la dirección, enriqueciendo todavía más la medida.