Neue Methode zur Analyse von Molekülbewegungen

CryoSBI am FIAS

Erläuterung zu den Bildern unter dem Text

Am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) wurde eine innovative Methode vorgestellt, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Bewegungen von Molekülen schneller und genauer zu analysieren. Diese Technik wurde von Forschern des FIAS in Zusammenarbeit mit dem New Yorker Flatiron Institute entwickelt. Ziel ist es, ein besseres Verständnis der Funktionen von Biomolekülen wie Proteinen und DNA zu erlangen.

Hintergrund

Biomoleküle sind flexibel und bewegen sich ständig, was für ihre Funktionalität entscheidend ist. Bisher konnten moderne Elektronenmikroskope nur statische Bilder dieser Moleküle aufnehmen, indem sie die Moleküle einfrieren. Diese Bilder sind oft von „Rauschen“ betroffen und die Forscher wissen nicht, von welcher Seite das Molekül aufgenommen ist. Eine neue Methodik hilft, diese Herausforderungen zu überwinden.

Die neue Herngehensweise

Die FIAS-Forscher haben eine Technik entwickelt, die physikbasierte Simulationen und maschinelles Lernen kombiniert. Diese Methode, genannt Cryo-EM simulationsbasierte Inferenz (cryoSBI), ermöglicht es, die Bilder von Molekülen innerhalb von Millisekunden auszuwerten.

Lars Dingeldein, ein Doktorand am FIAS, erklärt, dass man viele Einzelbilder benötigt, um die Bewegung eines Moleküls zu verstehen. Die Wissenschaftler trainierten das KI-System mit Biomolekülen, deren Bewegungsprofile bekannt waren. Sie simulierten den Mikroskopierprozess und erhielten einen Datensatz von künstlichen Bildern. Das KI-System lernte dann, die Struktur eines Biomoleküls anhand dieser Bilder zu erkennen.

Vorteile der neuen Technik

Mit der neuen Methode können Forscher die Struktur und Bewegung von Biomolekülen viel schneller bestimmen. Während es mit herkömmlichen Methoden etwa 15 Sekunden dauert, um die Form eines Proteins aus einem Bild zu bestimmen, geschieht dies mit cryoSBI in nur wenigen Millisekunden.

Das Trainieren des KI-Systems ist zwar aufwändig, aber die Methode ist danach kostengünstiger. Interessierte Anwender können die Technik ab sofort nutzen, um biologische Systeme besser zu verstehen. Dies ist besonders wichtig für medizinische Anwendungen, bei denen es darum geht, die Bewegungen und mögliche Störungen von Biomolekülen zu untersuchen.

Ausblick

Die Forscher planen, die Methode weiter zu optimieren und ihre Anwendung zu verbessern. Prof. Dr. Roberto Covino, Gruppenleiter am FIAS, ist überzeugt, dass diese neue Technik dazu beitragen wird, biologische Systeme schneller und präziser zu verstehen.

Die neue Methode zur Analyse von Molekülbewegungen stellt einen bedeutenden Fortschritt in der biomedizinischen Forschung dar. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, schneller und genauer zu arbeiten, was zu einem besseren Verständnis biologischer Prozesse führt.


Für weitere Informationen stehen folgende Kontakte zur Verfügung
Prof. Dr. Roberto Covino
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Tel.: +49 69 798 47659
eMail: covino@fias.uni-frankfurt.de

Dr. Anja Störiko
FIAS-Pressestelle
Tel.: +49 (0)69 798 47507
eMail: stoeriko@fias.uni-frankfurt.de

Publikation: Lars Dingeldein, David Silva-Sánchez, Luke Evans: Amortized template matching of molecular conformations from cryoelectron microscopy images using simulation-based inference, PNAS 122 (23) e2420158122, https://doi.org/10.1073/pnas.2420158122

Bild/Quelle: Biomoleküle (links) lassen sich im Elektronenmikroskop (2. Bild) darstellen. Daraus lässt sich eine Struktur ableiten (3. Bild), die aber häufig schwer zu interpretieren und fehlerhaft ist. Die neue Methode der FIAS-Forschenden erlaubt, die Bilder innerhalb von Millisekunden auszuwerten und die wahrscheinlichste Struktur und Bewegung zu berechnen (Bild rechts).
Grafik: © Lars Dingeldein.

Frankfurt Institute for Advanced Studies
Das FIAS ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main, die sich mit komplexen naturwissenschaftlichen Themen beschäftigt. Es arbeitet an der Schnittstelle von theoretischen Naturwissenschaften, Computerwissenschaften, KI-Systemen sowie Lebens- und Neurowissenschaften. https://fias.institute/

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