Cryo-electron tomography (CET) provides unprecedented views into the native cellular environment at molecular resolution. While subtomogram analysis yields high-resolution native structures of molecular complexes, it also determines the precise positions and orientations of these macromolecules within the cell. Analyzing the geometric relationships between adjacent macromolecules can offer structural insights into molecular interactions and identify supramolecular ensembles. However, computational tools must be developed for quantitative analysis of this dense geometric information. This thesis presents a statistical method for analyzing the local neighborhoods around macromolecules, with the aim of identifying 3D configurations of macromolecule pairs. This method of local geometric analysis emphasizes generality; it can be applied to any type of macromolecule and incorporates molecular symmetry. Here, the method was used to study the 3D organization of Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO) enzymes within the pyrenoid of C. reinhardtii cells. Subtomogram analysis identified RuBisCO complexes within pyrenoid tomograms, producing an in situ structure at 16 Angstrom resolution. Local geometric analysis of RuBisCO complexes suggested a fluid-like pyrenoid matrix. Predominant configurations of RuBisCO pairs were identified and combined into a geometric model of the unit cell of RuBisCO neighbors, showing a 3D configuration similar to closely packed spheres. Next, this thesis progresses from local geometric analysis to identification of higher-order structures by presenting a method to detect polysomes, flexible supramolecular ensembles of ribosomes and messenger RNA. Local geometric analysis extracted the 3D arrangements of neighboring ribosomes in polysomes. This prior information is then used in the detection method, where ribosomes are represented as nodes in a graph and clustered by a Markov random field to reveal polysomes. Performance evaluation on synthetic and experimental tomograms of bacterial lysate indicated a 96% prediction accuracy. Finally, the method was applied to tomograms of rough microsomes derived from the endoplasmic reticulum (ER) of mouse myeloma cells, with the aim of detecting cytosolic and ER-associated polysomes. This thesis presents geometry-based methods for analyzing the local organization of macromolecules and detecting supramolecular structures in CET. While these methods operate on macromolecule distributions of a single type, they could be expanded to incorporate multiple classes of macromolecules, enabling quantitative analysis for visual proteomics. Thus, they represent a step towards the spatial dissection of the complete macromolecular sociology of cells.     «

Cryo-electron tomography (CET) provides unprecedented views into the native cellular environment at molecular resolution. While subtomogram analysis yields high-resolution native structures of molecular complexes, it also determines the precise positions and orientations of these macromolecules within the cell. Analyzing the geometric relationships between adjacent macromolecules can offer structural insights into molecular interactions and identify supramolecular ensembles. However, computation...     »

Kryoelektronentomographie (KET) bietet einen noch nie da gewesenen Blick auf die native zelluläre Umgebung bei molekularer Auflösung. Während hochaufgelöste Strukturen abgebildeter molekularer Komplexe mittels Subtomogram Analyse bestimmt werden können, gibt ein Tomogramm zusätzlich Auskunft über die genauen Positionen und Orientierungen dieser Makromoleküle innerhalb der Zelle. Die Analyse geometrischer Beziehungen zwischen benachbarten Makromolekülen, kann strukturelle Einblicke in die molekularen Wechselwirkungen bieten und einheitliche supramolekulare Anordnungen identifizieren. Allerdings müssen rechnergestützte Verfahren für die quantitative Analyse dieser dichten geometrischen Informationen entwickelt werden. Diese Arbeit stellt eine statistische Methode für die Analyse der unmittelbaren Nachbarschaft von Makromolekülen vor, welche darauf abzielt die 3D-Konfiguration von Makromolekül Paaren zu identifizieren. Diese Methode der lokalen geometrischen Analyse beansprucht allgemeine Gültigkeit; sie kann für jede Art von Makromolekülen angewendet werden und berücksichtigt molekulare Symmetrien. In dieser Arbeit wurde diese Methode genutzt, um die 3D Organisation von RuBisCO Enzymen innerhalb des Pyrenoid von C. reinhardtii Zellen zu untersuchen. Mittels Subtomogram Analyse wurden RuBisCO Komplexe innerhalb von Pyrenoid Tomogrammen lokalisiert und es konnte eine Struktur des nativen Komplexes bei 16 Angstrom Auflösung gewonnen werden. Lokale geometrische Analyse von RuBisCO Komplexen lässt auf eine flüssigkeitsähnliche Pyrenoid Matrix schließen. Aus den vorherrschende Konfigurationen von RuBisCO Paaren wurde ein geometrisches Modell der Einheitszelle von RuBisCO Nachbarn entwickelt, das der 3D- Konfiguration dichtester Kugelpackung ähnelt. Im nächsten Schritt dieser Arbeit wird die lokale geometrische Analyse zur Identifizierung von Strukturen höherer Ordnung verwendet. Flexible supramolekulare Anordnungen von Ribosomen und Messenger-RNA, sogenannte Polysomen, werden mit der hier vorgestellten Methode detektiert. Mittels lokaler geometrischer Analyse wird die bevorzugte 3D- Anordnung benachbarter Ribosomen in Polysomen extrahiert. Diese Vorinformation wird dann in einem nachgeschalteten Detektionsverfahren genutzt, das Ribosomen als Knotenpunkte in einem Graphen dargestellt und durch ein Markov Random Field gruppiert um Polysomen zu lokalisieren. Leistungsbewertung der Methode basierend auf synthetischen und experimentellen Tomogrammen bakterieller Zelllysate zeigt eine 96%ige Vorhersagegenauigkeit. Schließlich wurde das Verfahren angewendet, um cytosolische und membranassoziierte Polysomen in Tomogrammen zu detektieren, die Membranvesikel abgeleitet vom endoplasmatischen Retikulum aus Maus- Myeloma-Zellen abbilden. Diese Arbeit stellt geometriebasierte Methoden für die Analyse lokaler Organisation von Makromolekülen und die Erfassung von supramolekularen Strukturen in der KET vor. Während sich diese Analyseverfahren vorläufig auf die Verteilung eines einzelnen Makromolekül-Typs beschränken, könnten sie um die Einbeziehung mehrerer Makromolekül-Klassen erweitert werden, um quantitative Analysen für die visuelle Proteomik zu ermöglichen. Somit stellen die hier vorgestellten Verfahren einen Schritt in Richtung der räumlichen Erfassung der gesamten molekularen Soziologie einer Zelle dar.     «

Kryoelektronentomographie (KET) bietet einen noch nie da gewesenen Blick auf die native zelluläre Umgebung bei molekularer Auflösung. Während hochaufgelöste Strukturen abgebildeter molekularer Komplexe mittels Subtomogram Analyse bestimmt werden können, gibt ein Tomogramm zusätzlich Auskunft über die genauen Positionen und Orientierungen dieser Makromoleküle innerhalb der Zelle. Die Analyse geometrischer Beziehungen zwischen benachbarten Makromolekülen, kann strukturelle Einblicke in die molekul...     »