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

• Autores: José Luís Vilas Prieto
• Directores de la Tesis: Carlos Óscar Sánchez Sorzano (dir. tes.), Javier Vargas Balbuena (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2019
• Idioma: español
• Número de páginas: 165
• Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Antonio Quiroga Mellado (presid.), Emma Martín Rodríguez (secret.), Daniel Luque Buzo (voc.), Jordi Burguet Castell (voc.), José Jesús Fernández Rodríguez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física de la Luz y la Materia por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    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.

  • English

    The cryo-Electron Microscopy (cryoem) addressed to the elucidation of macromolecular complexes has suffered a revolution in the last years. Single Particle Analysis SPA and electron tomography are the two main branches responsible of this revolution. In both cases, the result is a 3D structure of the specimen. However, it is critical to determine the degree of reliability of the reconstructed structure, problem which is solved with resolution measurements. Resolution can be determined as a global parameter of the structure, or as a local property that can spatially vary.

    The main objective of the present thesis is the study of the local resolution and its applications for the validation of the reconstructed 3D structure and for local sharpening. For that, a mathematical method named MonoRes was developed, which measures the local resolution of reconstructed density maps and its algorithm represents the cornerstone of this thesis. Hence, MonoDir was designed for identifying reconstructions problems like the existence of preferred directions, or alignment errors. Note that the current state of the art does not provide an immediate and simultaneous response to both questions, in particular to the second one, which can be due to a systematic error of reconstruction. The proposed method does it by analyzing local-resolution anisotropy using the information of only the reconstructed map.

    Moreover, the measurement and analysis of the local resolution for map sharpening can be also used to enhance the visualization of the protein structure keeping its structure factor. For that, method LocalDeBlur was developed, which modifies the local amplitudes of the different frequencies according to the local resolution values.

    Apart from that, other methods were developed using slight variations of MonoRes algorithmic core. One of these methods is MonoTomo, which has been developed as the first method of local resolution in Electron Tomography. The estimation of the local resolution in electron tomograms involves work with spatially dependent noise and very large maps, so the core of MonoRes was extended in that direction, resulting in method MonoTomo, which solves those drawbacks.

    These other MonoRes core-derived methods extend the concept of resolution in a local manner. However, resolution is not only a local parameter, but it must be considered a tensor and, therefore, it depends on the position (voxel) and the direction.

    Thus, the concept of local resolution is then enriched with the notion of directionality.