清華新聞網(wǎng)1月8日電 基于相機(jī)的單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）技術(shù)能夠精確測(cè)量來(lái)自單個(gè)熒光分子的信號(hào)，從而表征和揭示生物大分子的重要?jiǎng)討B(tài)過(guò)程。該技術(shù)以其較高的實(shí)驗(yàn)通量、優(yōu)越的技術(shù)成熟度成為闡釋生物大分子結(jié)構(gòu)變化、反應(yīng)途徑和分子機(jī)制的重要生物物理學(xué)手段。然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)手段從圖像中準(zhǔn)確識(shí)別源自單個(gè)分子的熒光信號(hào)需要600至700個(gè)光子，但熒光分子在光漂白前發(fā)出的總光子是有限的，這使得單分子FRET技術(shù)的總觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)和時(shí)間分辨率總是相互制約，很難同時(shí)提升。常規(guī)的解決方案包括提升相機(jī)的光子探測(cè)效率、優(yōu)化熒光分子結(jié)構(gòu)或添加除氧劑、三線態(tài)淬滅劑等化學(xué)方法以提高探針光穩(wěn)定性。然而，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的策略仍是一個(gè)未充分開發(fā)的領(lǐng)域。
1月2日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳春來(lái)課題組與清華大學(xué)自動(dòng)化系索津莉、戴瓊海課題組合作，在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志發(fā)表了題為“有監(jiān)督的多幀雙通道降噪實(shí)現(xiàn)極弱光長(zhǎng)時(shí)程單分子FRET測(cè)量”（Supervised multi-frame dual-channel denoising enables long-term single-molecule FRET under extremely low photon budget）的研究論文，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式化解成像類單分子FRET觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)與時(shí)間分辨率的矛盾。
研究提出了一種被稱為“多幀雙通道融合去噪網(wǎng)絡(luò)（MUFFLE）”深度學(xué)習(xí)的信號(hào)重建策略，其結(jié)構(gòu)包括bi-ConvLSTM、U-net CNN和Dual-chanelResidual Fusion模塊，充分利用單分子FRET視頻數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間和光譜層面的冗余信息，通過(guò)對(duì)視頻弱信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)和去噪，實(shí)現(xiàn)了在每幀僅需60至70個(gè)光子的極弱單分子熒光條件下，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)程的單分子FRET測(cè)量（圖1）。
MUFFLE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（a）和應(yīng)用效果（b）和（c）
借助MUFFLE的弱信號(hào)視頻降噪重建能力，研究者首先實(shí)現(xiàn)了在衰減激發(fā)光功率，但并不影響時(shí)間分辨率條件下，將單分子FRET的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)拓展至原來(lái)的約29倍；此外，研究者還在不影響總觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的條件下，將傳統(tǒng)TIRF-EMCCD單分子FRET測(cè)量的時(shí)間分辨率提升了10倍至3毫秒，進(jìn)一步逼近了EMCCD相機(jī)曝光時(shí)間的極限；最后，研究者首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)需除氧劑和三線態(tài)淬滅劑的長(zhǎng)時(shí)程單分子FRET信號(hào)觀測(cè)（視頻1），避免了成像中加入的除氧劑和三線態(tài)淬滅劑等對(duì)生物大分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程的潛在干擾，為細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)時(shí)程單分子FRET測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。
陳春來(lái)副教授與索津莉副教授、戴瓊海院士為本文共同通訊作者；清華大學(xué)生命學(xué)院已畢業(yè)2019級(jí)博士苗昱與清華大學(xué)自動(dòng)化系2022級(jí)博士生程宇笑為本文共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54652-w
代碼鏈接：
https://github.com/jarrycyx/MUFFLE
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
