Automated Stoichiometry Analysis of Single-Molecule Fluorescence Imaging Traces via Deep Learning

光漂白 化学 化学计量学 荧光 生物系统 光漂白后的荧光恢复 卷积神经网络 分子 人工智能 计算机科学 光学 物理 物理化学 生物 有机化学
作者
Jiachao Xu,Gege Qin,Fang Luo,Lina Wang,Rong Zhao,Nan Li,Jinghe Yuan,Xiaohong Fang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (17): 6976-6985 被引量:73
标识
DOI:10.1021/jacs.9b00688
摘要

The stoichiometry of protein complexes is precisely regulated in cells and is fundamental to protein function. Singe-molecule fluorescence imaging based photobleaching event counting is a new approach for protein stoichiometry determination under physiological conditions. Due to the interference of the high noise level and photoblinking events, accurately extracting real bleaching steps from single-molecule fluorescence traces is still a challenging task. Here, we develop a novel method of using convolutional and long-short-term memory deep learning neural network (CLDNN) for photobleaching event counting. We design the convolutional layers to accurately extract features of steplike photobleaching drops and long-short-term memory (LSTM) recurrent layers to distinguish between photobleaching and photoblinking events. Compared with traditional algorithms, CLDNN shows higher accuracy with at least 2 orders of magnitude improvement of efficiency, and it does not require user-specified parameters. We have verified our CLDNN method using experimental data from imaging of single dye-labeled molecules in vitro and epidermal growth factor receptors (EGFR) on cells. Our CLDNN method is expected to provide a new strategy to stoichiometry study and time series analysis in chemistry.
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