Accurate knowledge of defocus and tilt parameters is essential for the determination of three-dimensional protein structures at high resolution using electron microscopy. We present two computer programs, CTFFIND3 and CTFTILT, which determine defocus parameters from images of untilted specimens, as well as defocus and tilt parameters from images of tilted specimens, respectively. Both programs use a simple algorithm that fits the amplitude modulations visible in a power spectrum with a calculated contrast transfer function (CTF). The background present in the power spectrum is calculated using a low-pass filter. The background is then subtracted from the original power spectrum, allowing the fitting of only the oscillatory component of the CTF. CTFTILT determines specimen tilt parameters by measuring the defocus at a series of locations on the image while constraining them to a single plane. We tested the algorithm on images of two-dimensional crystals by comparing the results with those obtained using crystallographic methods. The images also contained contrast from carbon support film that added to the visibility of the CTF oscillations. The tests suggest that the fitting procedure is able to determine the image defocus with an error of about 10 nm, whereas tilt axis and tilt angle are determined with an error of about 2° and 1°, respectively. Further tests were performed on images of single protein particles embedded in ice that were recorded from untilted or slightly tilted specimens. The visibility of the CTF oscillations from these images was reduced due to the lack of a carbon support film. Nevertheless, the test results suggest that the fitting procedure is able to determine image defocus and tilt angle with errors of about 100 nm and 6°, respectively.

High-throughput and virtual screening are widely used to discover novel leads for drug design. On examination, many screening hits appear non-drug-like: they act noncompetitively, show little relationship between structure and activity, and have poor selectivity. Attempts to develop these peculiar molecules into viable leads are often futile, and much time can be wasted on the characterization of these "phony" hits. Despite their common occurrence, the mechanism of action of these promiscuous molecules remains unknown. To investigate this problem, 45 diverse screening hits were studied. Fifteen of these were previously reported as inhibitors of various receptors, including beta-lactamase, malarial protease, dihydrofolate reductase, HIV Tar RNA, thymidylate synthase, kinesin, insulin receptor, tyrosine kinases, farnesyltransferase, gyrase, prions, triosephosphate isomerase, nitric oxide synthase, phosphoinositide 3-kinase, and integrase; 30 were from an in-house screening library of a major pharmaceutical company. In addition to their original targets, 35 of these 45 compounds were shown to inhibit several unrelated model enzymes. These 35 screening hits included compounds, such as fullerenes, dyes, and quercetin, that have repeatedly shown activity against diverse targets. When tested against the model enzymes, the compounds showed time-dependent but reversible inhibition that was dramatically attenuated by albumin, guanidinium, or urea. Surprisingly, increasing the concentration of the model enzymes 10-fold largely eliminated inhibition, despite a 1000-fold excess of inhibitor; a well-behaved competitive inhibitor did not show this behavior. One model to explain these observations was that the active form of the promiscuous inhibitors was an aggregate of many individual molecules. To test this hypothesis, light scattering and electron microscopy experiments were performed. The nonspecific inhibitors were observed to form particles of 30-400 nm diameter by both techniques. In control experiments, a well-behaved competitive inhibitor and an inactive dye-like molecule were not observed to form aggregates. Consistent with the hypothesis that the aggregates are the inhibitory species, the particle size and IC(50) values of the promiscuous inhibitors varied monotonically with ionic strength; a competitive inhibitor was unaffected by changes in ionic strength. Unexpectedly, aggregate formation appears to explain the activity of many nonspecific inhibitors and may account for the activity of many promiscuous screening hits. Molecules acting via this mechanism may be widespread in drug discovery screening databases. Recognition of these compounds may improve screening results in many areas of pharmaceutical interest.

Using electron diffraction data corrected for diffuse scattering together with additional phase information from 30 new images of tilted specimens, an improved experimental density map has been calculated for bacteriorhodopsin. The atomic model has then been rebuilt into this new map with particular attention to the surface loops. All the residues from 7 to 227 as well as ten lipid molecules are now included, although a few amino acid residues in three of the six surface loops, about half of the lipid hydrophobic chains and all of the lipid head groups are disordered. The model has then been refined against the experimental diffraction amplitudes to anR-factor of 28% at 3.5 Å resolution with strict geometry (0.005 Å bond length deviation) using the improvement of the "free" phase residual between calculated and experimental phases from images as an objective criterion of accuracy. For the refinement some new programs were developed to restrain the number of parameters, to be compatible with the limited resolution of our data. In the final refined model of the protein (2BRD), compared with earlier co-ordinates (1BRD), helix D has been moved towards the cytoplasm by almost 4 Å, and the overall accuracy of the co-ordinates of residues in the other six helices has been improved. As a result the positions of nearly all the important residues in bacteriorhodopsin are now well determined. In particular, the buried, protonated Asp115 is 7 Å from, and so not in contact with, the retinal and Met118 forms a cap on the pocket occupied by the β-ionone ring. No clear density exists for the side-chain of Arg82, which forms a central part of the extracellular half-channel. The only arginine side-chain built into good density is that of Arg134 at the extracellular end of helix E, the others being disordered near one of the two surfaces. The interpretation of the end of helix F on the extracellular surface is now clearer; an extra loose helical turn has been built bringing the side-chain of Glu194 close to Arg134 to form a probable salt bridge. The model provides an improved framework for understanding the mechanism of the light-driven proton pumping. A number of cavities that could contain water molecules were found by searching the refined model, most of them above or below the Schiff base in the half-channels leading to the two surfaces. The ordered and disordered regions of the structure are described by the temperature factor distribution.

We have developed new open-source software called cisTEM (computational imaging system for transmission electron microscopy) for the processing of data for high-resolution electron cryo-microscopy and single-particle averaging. cisTEM features a graphical user interface that is used to submit jobs, monitor their progress, and display results. It implements a full processing pipeline including movie processing, image defocus determination, automatic particle picking, 2D classification, ab-initio 3D map generation from random parameters, 3D classification, and high-resolution refinement and reconstruction. Some of these steps implement newly-developed algorithms; others were adapted from previously published algorithms. The software is optimized to enable processing of typical datasets (2000 micrographs, 200 k – 300 k particles) on a high-end, CPU-based workstation in half a day or less, comparable to GPU-accelerated processing. Jobs can also be scheduled on large computer clusters using flexible run profiles that can be adapted for most computing environments. cisTEM is available for download from cistem.org.

Biological specimens suffer radiation damage when imaged in an electron microscope, ultimately limiting the attainable resolution. At a given resolution, an optimal exposure can be defined that maximizes the signal-to-noise ratio in the image. Using a 2.6 Å resolution single particle cryo-EM reconstruction of rotavirus VP6, determined from movies recorded with a total exposure of 100 electrons/Å(2), we obtained accurate measurements of optimal exposure values over a wide range of resolutions. At low and intermediate resolutions, our measured values are considerably higher than obtained previously for crystalline specimens, indicating that both images and movies should be collected with higher exposures than are generally used. We demonstrate a method of using our optimal exposure values to filter movie frames, yielding images with improved contrast that lead to higher resolution reconstructions. This 'high-exposure' technique should benefit cryo-EM work on all types of samples, especially those of relatively low-molecular mass.

The refinement of three-dimensional reconstructions and correction for the contrast transfer function of the microscope are important steps in the determination of macromolecular structures by single particle electron microscopy. The algorithms implemented in the computer program FREALIGN are optimized to perform these tasks efficiently. A general overview and details on how to use FREALIGN are provided. The program is free and available for download on the author’s web page.

This Meeting Review describes the proceedings and conclusions from the inaugural meeting of the Electron Microscopy Validation Task Force organized by the Unified Data Resource for 3DEM (http://www.emdatabank.org) and held at Rutgers University in New Brunswick, NJ on September 28 and 29, 2010. At the workshop, a group of scientists involved in collecting electron microscopy data, using the data to determine three-dimensional electron microscopy (3DEM) density maps, and building molecular models into the maps explored how to assess maps, models, and other data that are deposited into the Electron Microscopy Data Bank and Protein Data Bank public data archives. The specific recommendations resulting from the workshop aim to increase the impact of 3DEM in biology and medicine.

The contrast observed in images of frozen-hydrated biological specimens prepared for electron cryo-microscopy falls significantly short of theoretical predictions. In addition to limits imposed by the current instrumentation, it is widely acknowledged that motion of the specimen during its exposure to the electron beam leads to significant blurring in the recorded images. We have studied the amount and direction of motion of virus particles suspended in thin vitrified ice layers across holes in perforated carbon films using exposure series. Our data show that the particle motion is correlated within patches of 0.3-0.5 μm, indicating that the whole ice layer is moving in a drum-like motion, with accompanying particle rotations of up to a few degrees. Support films with smaller holes, as well as lower electron dose rates tend to reduce beam-induced specimen motion, consistent with a mechanical effect. Finally, analysis of movies showing changes in the specimen during beam exposure show that the specimen moves significantly more at the start of an exposure than towards its end. We show how alignment and averaging of movie frames can be used to restore high-resolution detail in images affected by beam-induced motion.

Electron cryomicroscopy (cryo-EM) yields images of macromolecular assemblies and their components, from which 3D structures can be determined, by using an image processing method commonly known as “single-particle reconstruction.” During the past two decades, this technique has become an important tool for 3D structure determination, but it generally has not been possible to determine atomic models. In principle, individual molecular images contain high-resolution information contaminated by a much higher level of noise. In practice, it has been unclear whether current averaging methods are adequate to extract this information from the background. We present here a reconstruction, obtained by using recently developed image processing methods, of the rotavirus inner capsid particle (“double-layer particle” or DLP) at a resolution suitable for interpretation by an atomic model. The result establishes single-particle reconstruction as a high-resolution technique. We show by direct comparison that the cryo-EM reconstruction of viral protein 6 (VP6) of the rotavirus DLP is similar in clarity to a 3.8-Å resolution map obtained from x-ray crystallography. At this resolution, most of the amino acid side chains produce recognizable density. The icosahedral symmetry of the particle was an important factor in achieving this resolution in the cryo-EM analysis, but as the size of recordable datasets increases, single-particle reconstruction also is likely to yield structures at comparable resolution from samples of much lower symmetry. This potential has broad implications for structural cell biology.