Particle Smoother to Assimilate Asynchronous Movie Data of High-Speed AFM with MD Simulations

像素 重采样 异步通信 颗粒过滤器 计算机科学 生物系统 算法 滤波器(信号处理) 物理 光学 材料科学 计算机视觉 计算机网络 生物
作者
Suguru Kato,Shoji Takada,Sotaro Fuchigami
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:19 (14): 4678-4688 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.2c01268
摘要

High-speed (HS) atomic force microscopy (AFM) can be used to observe structural dynamics of biomolecules under near-physiological conditions. In the AFM measurement, the probe tip scans an area of interest and acquires height data pixel by pixel so that the obtained AFM image contains a measurement time difference. In this study, to integrate molecular dynamics simulations with asynchronous HS-AFM movie data, we developed a particle smoother (PS) method for Bayesian data assimilation, one of the machine learning approaches, by extending the previous particle filter method. With a twin experiment with an asynchronous pseudo HS-AFM movie of a nucleosome, we found that the PS method with the pixel-by-pixel data acquisition reproduced the dynamic behavior of a nucleosome better than the previous particle filter method that ignored the data asynchronicity. We examined several frequencies of particle resampling in the PS method, and found that resampling once per one frame was optimal for reproducing the dynamic behavior. Thus, we found that the PS method with an appropriate resampling frequency is a powerful method for estimating the dynamic behavior of a target molecule from HS-AFM data with low spatiotemporal resolution.
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