スキャン透過型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、および新しいデコンボリューションアルゴリズムを使用して、個々の細胞におけるナノスケール3次元密度分布の自己相関関数の測定

基本的に、すべての生物学的プロセスは、これらのプロセスが行われる細胞成分のナノスケールアーキテクチャに大きく依存しています。3次元（3D）質量密度分布の自己相関関数（ACF）などの統計的測定は、細胞ナノ構造の特徴に広く使用されています。ただし、これらの統計的測定値を計算できる決定論的3D質量密度分布の従来の再構築方法は、ナノスケールの解像度の必要性と従来のトモグラフィー再構成後の厚さとの逆の関係との対立との間の矛盾との対立のために、細胞全体などの厚い生物学的構造には不十分である。問題に取り組むために、断層撮影なしで3D質量密度分布のACFを計算するための堅牢な方法を開発しました。生物学的質量分布が等方性であると仮定すると、この方法では、2つのデータセットを使用したACFによる3D質量密度分布の正確な統計的特性評価が可能になります。透過型電子顕微鏡をスキャンすることによる単一の投影画像と原子力顕微鏡による厚さMAP。ここでは、ACF再構成アルゴリズムの検証と、哺乳類細胞全体の核を含む領域における質量密度の3D分布の統計を計算するためのアプリケーションを提示します。この方法は、細胞プロセスに伴う建築の変化に関する重要な洞察を提供する可能性があります。

Essentially all biological processes are highly dependent on the nanoscale architecture of the cellular components where these processes take place. Statistical measures, such as the autocorrelation function (ACF) of the three-dimensional (3D) mass-density distribution, are widely used to characterize cellular nanostructure. However, conventional methods of reconstruction of the deterministic 3D mass-density distribution, from which these statistical measures can be calculated, have been inadequate for thick biological structures, such as whole cells, due to the conflict between the need for nanoscale resolution and its inverse relationship with thickness after conventional tomographic reconstruction. To tackle the problem, we have developed a robust method to calculate the ACF of the 3D mass-density distribution without tomography. Assuming the biological mass distribution is isotropic, our method allows for accurate statistical characterization of the 3D mass-density distribution by ACF with two data sets: a single projection image by scanning transmission electron microscopy and a thickness map by atomic force microscopy. Here we present validation of the ACF reconstruction algorithm, as well as its application to calculate the statistics of the 3D distribution of mass-density in a region containing the nucleus of an entire mammalian cell. This method may provide important insights into architectural changes that accompany cellular processes.