冷冻电子显微镜（cryogenic electron microscopy, cryo-EM）是确定生物大分子近原子分辨率结构时广泛使用的技术。在制备成像样品时，需将纯化的大分子在薄薄的水膜内进行玻璃化；接着，利用配备直接电子相机的透射电子显微镜，我们就可以记录单个大分子颗粒的二维投影图像。由于每个颗粒在冰层中相对于电子束的方向不同，就会产生不同取向的投影。因此，精确确定每个二维颗粒投影的方向角，就成为生物大分子三维重建的主要目标。理想状态下，颗粒取向应均匀 ；然而，实际操作中很少观察到均匀的取向分布——这是由样本玻璃化的方式决定的。水膜边界处的两个界面会吸引大分子物体，并使它们倾向于附着在其中一个或两个界面上，形成“优势取向”。“优势取向”会导致颗粒对齐时发生错误，产生密度图畸变，严重影响了冷冻电镜密度图的获取和分析。

图注：冷冻电镜技术基于电子束

所成投影像恢复生物大分子密度图

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59797-w

研究者首先发现在很多优势取向的情况下，损害重构密度图的原因是优势取向所诱导产生的颗粒对齐错误。

图注：在很多优势取向的情况下，损害重构密度图的

原因是优势取向所诱导产生的颗粒对齐错误

为了解决颗粒对齐错误，研究者们开发了CryoPROS算法。该算法利用生成式深度学习技术，训练人工智能生成辅助性颗粒。将实验采集的颗粒与人工智能生成的辅助性颗粒合并，能够大幅减弱颗粒取向分布的不均匀性，消除取向估计的偏差，从而精确确定每个二维颗粒投影的方向角，完成颗粒对齐。

图注：CryoPROS算法的架构

利用CryoPROS软件，在冷冻电镜领域中广泛接受的优势取向基准数据集untilted HA-trimer (EMPIAR-10096) 可以达到3.49 Å的分辨率。长期以来，研究人员一直认为只有通过倾斜样品台采集数据（倾斜样品时采样效率低下、需要延长数倍采样时间才能完成相同数量颗粒的采集），并进行大量的三维分类、逐颗粒的CTF参数修正以及颗粒抛光(particle polishing)，才能实现高分辨率重构。现在，CryoPROS软件可以省却这些繁琐的工作，而达到一样精确的分辨率。

图注：CryoPROS在冷冻电镜领域中

广泛接受的优势取向基准数据集 

untilted HA-trimer (EMPIAR-10096)

上达到3.49Å的分辨率

CryoPROS已在Github上发布

深圳医学科学院特聘研究员、北京市生物结构前沿中心（清华大学）研究员胡名旭，清华大学丘成桐数学中心副教授、北京雁栖湖应用数学研究院研究员、清华大学膜生物学重点实验室研究员包承龙，为本文的共同通讯作者。清华大学求真书院博士研究生张慧，清华大学丘成桐数学中心博士研究生郑棣瀚（已毕业），为本文的共同第一作者。本研究受到深圳医学科学院特聘研究员启动经费、北京市生物结构前沿中心（清华大学）、国家重点研发计划的资助。

冷冻电子显微镜（Cryo-EM）能够将样品快速冷冻，使生物大分子固定在一个近乎自然的瞬间，从而在接近原子级别的分辨率水平上提供更真实的、未被扭曲的生物分子图像。胡名旭课题组长期专注于开发冷冻电镜技术与方法的开发，在国际顶级学术期刊Nature Methods, Nature Communications, Communications Biology, Journal of Structural Biology, Nature, Nature Microbiology, PNAS 等发表论文数篇。

胡名旭课题组正在积极招聘结构生物学、生物化学、冷冻断层扫描(Cryo-ET)方向的副研究员、助理研究员以及博士后，详细招聘信息敬请期待。