原子力显微镜观测生物大分子图像的一种处理方法

作者:季超;张凌云;窦硕星;王鹏业 刊名:物理学报 上传者:陈伟

【摘要】针对具有复杂结构的生物大分子图像,本文改进了已有的半自动化方法,设计了一种新的算法去消除背景噪声,目的在于能够从生物大分子图像高效准确地提取量化信息.通过利用这种新的处理程序对生物大分子DNA原子力显微镜图像进行了研究,不仅可以对线性构像的DNA图像进行了处理,而且对于具有分支构像复杂DNA图像也能够处理.本文所提出的数字图像处理方法具有普适性,它也可以被应用到其他成像领域.

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1.引言在近10年来,越来越多的物理学技术和理论加入到生物领域的研究,研究过程中,使用量化的研究手段就变得越来越重要[1,2],其中对于生物体中最重要的遗传因子DNA的研究也更多,更深入,相应的量化信息采集与分析也就愈加有用和重要[3,4].在DNA分子大小的分析上,电泳分析是使用最为广泛的方法.但是电泳在实验过程中有诸多的限制,在通常的电泳分析实验中,往往要经过超过2h的实验时间,而且最为致命的是电泳实验分析所使用的DNA量必须足够多,才能得到比较准确的结果.另外一个方法就是借助于光学显微镜[5,6],在DNA分子上进行荧光染色,使用光学显微镜观测荧光染料处理后的DNA,从而计算得到DNA长度信息,这种方法能够提供高分辨率、低样品量、高产能,但是对于小于600bp的DNA片段无法提供准确的、清晰的信息.同时我们应该注意到这两种常用的方法都需要对DNA分子进行荧光染色,而染色后的DNA结构会发生变化,使所得到的DNA片段量化信息的准确性、可靠性大大降低.DNA大分子片段精确量化的信息,对于理解DNA分子的生物学和物理学特性有至关重要的意义[7,8],正因如此,原子力显微镜的使用对生物大分子的定量研究带来革命性的变化[9,10].原子力显微镜是借助于尖锐而且富有弹性的探针,通过探针针尖与DNA分子的相互作用,使得探针悬臂产生扭曲,将改变激光在光电二极管反射位置,光信号转化为电信号,通过计算机获得表面形貌图像[11].基于这个原理,原子力显微镜不仅可以对固定在云母表面的DNA分子,而且可以对在生物缓冲液中的DNA分子能够实施动态的观测[12].另外一方面,原子力显微镜具有高信噪比的优势,能够在纵向得到表面上DNA生物分子0.1nm高度分辨率的信息和横向110nm宽度分辨率的信息,并且能够直接观测DNA片段的整体形貌图像.综上所述,得益于原子力显微镜观测技术,我们能够清晰的观测到DNA片段分子的形貌特征,接下来我们面临的挑战就是如何从DNA形貌构像图中获取准确的信息.近些年来,利用原子力显微镜图像开发出半自动和自动化算法.半自动化的算法一种是需要操作人员在AFM图像上,沿着DNA的轮廓,在DNA片段上标记不连续的点,然后将选择的点连接成线,计算线段的长度[13];另外一种是需要给定在DNA片段末端的初始点,之后程序才会运物理学报ActaPhys.Sin.Vol.60,No.9(2011)098703行[14].半自动的算法使用起来非常费时费力,而且容易出现人为错误.自动化算法被越来越多的应用,并且发展出多种计算方法[15,16],但是这些自动化算法仍有其不足之处,它们不能提供矢量的角度计算.结合我们的工作和实验需求,采用能够进行矢量运算的半自动化算法[14],并对其进行了优化和改进,不仅实现了自动化工作的要求,而且得到了更多的构像信息.我们方法的优势在于:1)对AFM图像优化了背景噪音处理算法.根据实际的AFM图像的特点,采用了比较简单而且非常高效的优化方法,并且设计方便的修复程序,修复因为消除背景噪音带来的信息丢失.在已有半自动算法的基础上,使其处理方法自动化.2)对具有更加复杂的线性DNA图像进行计算.在研究DNA分子与蛋白、多价金属离子的实验中,DNA片段往往不再仅仅是线性构像.对于具有复杂结构DNA片段,我们设计了新的处理方法,成功处理了具有分支构像的DNA片段.在研究过程中,我们根据算法设计的程序解决了半自动算法所带来的人为偏差,但是在程序处理完成后,我们生成AFM处理后的图像,分析人员可以进行检查,兼顾了AFM图像处理的效率和准确性.我们利

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