<p dir="ltr">In life sciences, the determination of macromolecular structures and their functions, particularly proteins and protein complexes, is of paramount importance, as these molecules play critical roles within cells. The specific physical interactions of macromolecules govern molecular and cellular functions, making the 3D structure elucidation of these entities essential for comprehending the mechanisms underlying life processes, diseases, and drug discovery. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has emerged as a promising experimental technique for obtaining 3D macromolecular structures. In the course of my research, I proposed CryoREAD, an innovative AI-based method for <i>de nov</i>o DNA/RNA structure modeling. This novel approach represents the first fully automated solution for DNA/RNA structure modeling from cryo-EM maps at near-atomic resolution. However, as the resolution decreases, structure modeling becomes significantly more challenging. To address this challenge, I introduced Emap2sec+, a 3D deep convolutional neural network designed to identify protein secondary structures, RNA, and DNA information from cryo-EM maps at intermediate resolutions ranging from 5-10 Å. Additionally, I presented Alpha-EM-Multimer, a groundbreaking method for automatically building full protein complexes from cryo-EM maps at intermediate resolution. Alpha-EM-Multimer employs a diffusion model to trace the protein backbone and subsequently fits the AlphaFold predicted single-chain structure to construct the complete protein complex. Notably, this method stands as the first to enable the modeling of protein complexes with more than 10,000 residues for cryo-EM maps at intermediate resolution, achieving an average TM-Score of predicted protein complexes above 0.8, which closely approximates the native structure. Furthermore, I addressed the recognition of local structural errors in predicted and experimental protein structures by proposing DAQ, an evaluation approach for experimental protein structure quality that utilizes detection probabilities derived from cryo-EM maps via a pretrained multi-task neural network. In the pursuit of evaluating protein complexes generated through computational methods, I developed GNN-DOVE and DOVE, leveraging convolutional neural networks and graph neural networks to assess the accuracy of predicted protein complex structures. These advancements in cryo-EM-based structural modeling and evaluation methodologies hold significant promise for advancing our understanding of complex macromolecular systems and their biological implications.</p>

The integration of artificial intelligence (AI) into biomedical research has given rise to new models and research topics in biomedicine. Whole-cell modeling aims to create a holistic understanding of the cell by integrating diverse data. One method of comprehension is the characterization and imitation of a system. Phenomenological cell models imitate cell structure and behavior based on, for example, images. Thus generative AI image models present one approach to developing such phenomenological models of cell systems. Diffusion models are a popular generative model class for image generation. Briefly, diffusion models consist of a forward and reverse diffusion process, where the forward process iteratively adds noise to an image and the reverse process learns to remove it. Image generation is achieved by sampling from noise and applying the learned reverse process. The generation may be conditioned to achieve a specific output. The diffusion process is computationally expensive to evaluate in pixel space. The latent diffusion model presents a solution by moving the diffusion process to the latent space of an autoencoder. A latent diffusion model has been trained to develop a phenomenological model of cells in mitosis. The aim is to identify spatial and temporal patterns in the dataset, consisting of fluorescence microscopy images of cells in mitosis, and condition the output of the latent diffusion model on labels associated with the data. The latent diffusion can generate images unconditionally and conditionally. The unconditionally generated images appear visually similar, but quantitative metrics suggest the potential for improvement. Qualitative analysis of the conditionally generated images indicates opportunities for enhancement. The analysis from the proposed method for objective assessment of conditionally generated images, feature extraction of images followed by dimension reduction using uniform manifold approximation and projection, concurs with the visual assessment. However, the quantitative metrics and the proposed method of conditional assessment rely upon InceptionV3 to extract features from the images. InceptionV3 has not been trained on biomedical images and thus the metrics and methods should not be overly relied upon. In general, there is a need for new assessment techniques suitable for non-class conditionally generated images that are unsuitable for evaluation using user studies. / Integrering av artificiell intelligens (AI) i biomedicinsk forskning har gett upphov till nya modeller och forskningsfrågor inom biomedicin. Helcellsmodellering syftar till att skapa ett kvantitativt perspektiv på cellbiologi och skapa holistisk kunskap om cellen. Ett system kan förstås genom karaktärisering och imitation. Generativ AI är ett tillvägagångssätt för att utveckla modeller som kan imitera och karaktärisera celler baserat på bilder. Diffusionsmodeller är en populär klass av generativa modeller för bildgenerering. Diffusionsmodeller består av en framåt- och bakåtdiffusionsprocess, där den framåtriktade processen iterativt lägger till brus i en bild och den bakåtriktade processen lär sig att ta bort det. Nya bilder genereras genom att tillämpa den inlärda bakåtriktade processen på en bild av brus. Generationen kan göras villkorlig för att forma bilden efter givna villkor. Den beräkningsintensiva diffusionsprocessen kan effektiviseras genom att introducera en "autoencoder" som flyttar diffusionsprocessen från pixelrummets stora dimension till det latenta rummet, som har en mindre dimension. Det utgör basen för en latent diffusionsmodell. För att utveckla en fenomenologisk modell av celler i mitos har en latent diffusionsmodell tränats på fluorescensmikroskopibilder på celler som genomgår mitos. Målet är att identifiera spatiala och temporala mönster i bilderna och skapa en modell som kan villkora bildgenerationen baserat på givna spatiala och temporala villkor associerade med bilderna. Latenta diffusionsmodeller kan skapa bilder både villkorligen och helt fritt från den underliggande datadistributionen. Den fria generationen av bilder resulterar i visuellt lika bilder men kvantitativa mått indikerar att modellen kan förbättras. Villkorligt genererade bilder håller inte samma visuella kvalité. Behovet av tekniker för att utvärdera villkorligt genererade bilder har identifierats och en metod har föreslagits. Metoden involverar att extrahera attribut från bilderna och reducera dimensionen av attributen för att visualisera de olika villkoren. Utvärderingen av de villkorligt genererade bilderna visar att den villkorliga generationen kan förbättras. Däremot beror metoden och de kvantitativa mått som beräknades för den fria generationen av bilder på ett neuralt nätverk som inte tränats på biomedicinska bilder. Därför bör resultaten tolkas med viss reservation.

Modern fluorescence microscopy modalities, such as light-sheet microscopy, are capable of acquiring large three-dimensional images at high data rate. This creates a bottleneck in computational processing and analysis of the acquired images, as the rate of acquisition outpaces the speed of processing. Moreover, images can be so large that they do not fit the main memory of a single computer. Another issue is the information loss during image acquisition due to limitations of the optical imaging systems. Analysis of the acquired images may, therefore, find multiple solutions (or no solution) due to imaging noise, blurring, and other uncertainties introduced during image acquisition. In this thesis, we address the computational processing time and memory issues by developing a distributed parallel algorithm for segmentation of large fluorescence-microscopy images. The method is based on the versatile Discrete Region Competition (Cardinale et al., 2012) algorithm, which has previously proven useful in microscopy image segmentation. The present distributed implementation decomposes the input image into smaller sub-images that are distributed across multiple computers. Using network communication, the computers orchestrate the collective solving of the global segmentation problem. This not only enables segmentation of large images (we test images of up to 10^10 pixels) but also accelerates segmentation to match the time scale of image acquisition. Such acquisition-rate image segmentation is a prerequisite for the smart microscopes of the future and enables online data inspection and interactive experiments. Second, we estimate the segmentation uncertainty on large images that do not fit the main memory of a single computer. We there- fore develop a distributed parallel algorithm for efficient Markov- chain Monte Carlo Discrete Region Sampling (Cardinale, 2013). The parallel algorithm provides a measure of segmentation uncertainty in a statistically unbiased way. It approximates the posterior probability densities over the high-dimensional space of segmentations around the previously found segmentation. / Moderne Fluoreszenzmikroskopie, wie zum Beispiel Lichtblattmikroskopie, erlauben die Aufnahme hochaufgelöster, 3-dimensionaler Bilder. Dies führt zu einen Engpass bei der Bearbeitung und Analyse der aufgenommenen Bilder, da die Aufnahmerate die Datenverarbeitungsrate übersteigt. Zusätzlich können diese Bilder so groß sein, dass sie die Speicherkapazität eines einzelnen Computers überschreiten. Hinzu kommt der aus Limitierungen des optischen Abbildungssystems resultierende Informationsverlust während der Bildaufnahme. Bildrauschen, Unschärfe und andere Messunsicherheiten können dazu führen, dass Analysealgorithmen möglicherweise mehrere oder keine Lösung für Bildverarbeitungsaufgaben finden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickeln wir einen verteilten, parallelen Algorithmus für die Segmentierung von speicherintensiven Fluoreszenzmikroskopie-Bildern. Diese Methode basiert auf dem vielseitigen "Discrete Region Competition" Algorithmus (Cardinale et al., 2012), der sich bereits in anderen Anwendungen als nützlich für die Segmentierung von Mikroskopie-Bildern erwiesen hat. Das hier präsentierte Verfahren unterteilt das Eingangsbild in kleinere Unterbilder, welche auf die Speicher mehrerer Computer verteilt werden. Die Koordinierung des globalen Segmentierungsproblems wird durch die Benutzung von Netzwerkkommunikation erreicht. Dies erlaubt die Segmentierung von sehr großen Bildern, wobei wir die Anwendung des Algorithmus auf Bildern mit bis zu 10^10 Pixeln demonstrieren. Zusätzlich wird die Segmentierungsgeschwindigkeit erhöht und damit vergleichbar mit der Aufnahmerate des Mikroskops. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die intelligenten Mikroskope der Zukunft, und es erlaubt die Online-Betrachtung der aufgenommenen Daten, sowie interaktive Experimente. Wir bestimmen die Unsicherheit des Segmentierungsalgorithmus bei der Anwendung auf Bilder, deren Größe den Speicher eines einzelnen Computers übersteigen. Dazu entwickeln wir einen verteilten, parallelen Algorithmus für effizientes Markov-chain Monte Carlo "Discrete Region Sampling" (Cardinale, 2013). Dieser Algorithmus quantifiziert die Segmentierungsunsicherheit statistisch erwartungstreu. Dazu wird die A-posteriori-Wahrscheinlichkeitsdichte über den hochdimensionalen Raum der Segmentierungen in der Umgebung der zuvor gefundenen Segmentierung approximiert.

Modern fluorescence microscopy modalities, such as light-sheet microscopy, are capable of acquiring large three-dimensional images at high data rate. This creates a bottleneck in computational processing and analysis of the acquired images, as the rate of acquisition outpaces the speed of processing. Moreover, images can be so large that they do not fit the main memory of a single computer. Another issue is the information loss during image acquisition due to limitations of the optical imaging systems. Analysis of the acquired images may, therefore, find multiple solutions (or no solution) due to imaging noise, blurring, and other uncertainties introduced during image acquisition. In this thesis, we address the computational processing time and memory issues by developing a distributed parallel algorithm for segmentation of large fluorescence-microscopy images. The method is based on the versatile Discrete Region Competition (Cardinale et al., 2012) algorithm, which has previously proven useful in microscopy image segmentation. The present distributed implementation decomposes the input image into smaller sub-images that are distributed across multiple computers. Using network communication, the computers orchestrate the collective solving of the global segmentation problem. This not only enables segmentation of large images (we test images of up to 10^10 pixels) but also accelerates segmentation to match the time scale of image acquisition. Such acquisition-rate image segmentation is a prerequisite for the smart microscopes of the future and enables online data inspection and interactive experiments. Second, we estimate the segmentation uncertainty on large images that do not fit the main memory of a single computer. We there- fore develop a distributed parallel algorithm for efficient Markov- chain Monte Carlo Discrete Region Sampling (Cardinale, 2013). The parallel algorithm provides a measure of segmentation uncertainty in a statistically unbiased way. It approximates the posterior probability densities over the high-dimensional space of segmentations around the previously found segmentation. / Moderne Fluoreszenzmikroskopie, wie zum Beispiel Lichtblattmikroskopie, erlauben die Aufnahme hochaufgelöster, 3-dimensionaler Bilder. Dies führt zu einen Engpass bei der Bearbeitung und Analyse der aufgenommenen Bilder, da die Aufnahmerate die Datenverarbeitungsrate übersteigt. Zusätzlich können diese Bilder so groß sein, dass sie die Speicherkapazität eines einzelnen Computers überschreiten. Hinzu kommt der aus Limitierungen des optischen Abbildungssystems resultierende Informationsverlust während der Bildaufnahme. Bildrauschen, Unschärfe und andere Messunsicherheiten können dazu führen, dass Analysealgorithmen möglicherweise mehrere oder keine Lösung für Bildverarbeitungsaufgaben finden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickeln wir einen verteilten, parallelen Algorithmus für die Segmentierung von speicherintensiven Fluoreszenzmikroskopie-Bildern. Diese Methode basiert auf dem vielseitigen "Discrete Region Competition" Algorithmus (Cardinale et al., 2012), der sich bereits in anderen Anwendungen als nützlich für die Segmentierung von Mikroskopie-Bildern erwiesen hat. Das hier präsentierte Verfahren unterteilt das Eingangsbild in kleinere Unterbilder, welche auf die Speicher mehrerer Computer verteilt werden. Die Koordinierung des globalen Segmentierungsproblems wird durch die Benutzung von Netzwerkkommunikation erreicht. Dies erlaubt die Segmentierung von sehr großen Bildern, wobei wir die Anwendung des Algorithmus auf Bildern mit bis zu 10^10 Pixeln demonstrieren. Zusätzlich wird die Segmentierungsgeschwindigkeit erhöht und damit vergleichbar mit der Aufnahmerate des Mikroskops. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die intelligenten Mikroskope der Zukunft, und es erlaubt die Online-Betrachtung der aufgenommenen Daten, sowie interaktive Experimente. Wir bestimmen die Unsicherheit des Segmentierungsalgorithmus bei der Anwendung auf Bilder, deren Größe den Speicher eines einzelnen Computers übersteigen. Dazu entwickeln wir einen verteilten, parallelen Algorithmus für effizientes Markov-chain Monte Carlo "Discrete Region Sampling" (Cardinale, 2013). Dieser Algorithmus quantifiziert die Segmentierungsunsicherheit statistisch erwartungstreu. Dazu wird die A-posteriori-Wahrscheinlichkeitsdichte über den hochdimensionalen Raum der Segmentierungen in der Umgebung der zuvor gefundenen Segmentierung approximiert.