X射線自由電子激光作為第四代光源的代表，具有超短脈沖、超高亮度等特點(diǎn)，能夠在接近生理狀態(tài)下研究生物大分子顆粒的動(dòng)態(tài)過(guò)程。傳統(tǒng)的取向解析算法假定所有大分子顆粒的衍射圖來(lái)自于全同的蛋白質(zhì)分子，然而這一純凈的顆粒狀態(tài)與實(shí)際的生理過(guò)程并不吻合：在生物大分子的不同功能階段，必然存在著多種可能的分子類型。如何準(zhǔn)確地處理多種分子的混合衍射圖，是X射線自由電子激光數(shù)據(jù)處理中重要且具有挑戰(zhàn)性的課題。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室SM6組的丁瑋研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種基于結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的單顆粒衍射成像分類-重構(gòu)算法，用于混合衍射圖的分類和取向解析。該算法創(chuàng)新性地將取向解析與衍射圖分類相結(jié)合，利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型作為模板，通過(guò)對(duì)比相關(guān)系數(shù)對(duì)衍射圖進(jìn)行分類，然后利用相關(guān)系數(shù)最大化算法進(jìn)行取向解析，可以同時(shí)重構(gòu)出多個(gè)三維衍射強(qiáng)度。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果表明，該算法在兩組不同蛋白質(zhì)體系中的分類準(zhǔn)確率分別達(dá)到了99.81%和99.94%。這一結(jié)果證明，我們提出的分類-重構(gòu)算法具有理想的可行性和超高的準(zhǔn)確性。而這一方法的提出，必將推動(dòng)X射線自由電子激光單顆粒衍射成像技術(shù)，從理論分析向?qū)嶋H應(yīng)用的邁進(jìn)，同時(shí)也將有助于我們?cè)谠擃I(lǐng)域突破性發(fā)展的前夜，構(gòu)建擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的完備軟件體系。
 

　　這一成果以“A predicted model-aided one-step classification-multireconstruction algorithm for X-ray free-electron laser single-particle imaging”為題，發(fā)表在近期的IUCrJ期刊上。物理所為第一完成單位，丁瑋工程師為本文的通訊作者，博士生焦志超和高能物理研究所耿直工程師為本文的共同第一作者。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院的支持。

 

　　此外，作為X射線自由電子激光的系列工作，本工作的部分核心方法與思路，在2024-06的另一篇文章“A predicted model-aided reconstruction algorithm for X-ray free-electron laser single-particle imaging”中有更為詳細(xì)的描述。
 

 

算法流程圖