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人工智能幫助預(yù)測(cè)耐藥性超級(jí)細(xì)菌
點(diǎn)擊次數(shù)：921 發(fā)布時(shí)間：2020-8-31
在近一項(xiàng)研究中，杜克大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師已經(jīng)表明，可以通過(guò)對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)分析來(lái)區(qū)分不同菌株，然后可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其他特征，例如對(duì)抗生素的抵抗力。該技術(shù)具有比當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)更快，更簡(jiǎn)單，更便宜，更準(zhǔn)確的識(shí)別疾病和預(yù)測(cè)菌株行為的優(yōu)點(diǎn)。
在微生物學(xué)的研究歷史中，細(xì)菌鑒定都依賴于生長(zhǎng)的培養(yǎng)物并分析所得細(xì)菌菌落的物理特性和行為。直到近，科學(xué)家才可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行基因測(cè)試。
然而，基因測(cè)序并不是普遍的，通?？赡苄枰荛L(zhǎng)時(shí)間。即使具有對(duì)整個(gè)基因組進(jìn)行測(cè)序的能力，也可能很難將特定的遺傳變異與不同行為特征聯(lián)系起來(lái)。
例如，即使研究人員已經(jīng)揭示了保護(hù)細(xì)菌免受β-內(nèi)酰胺類抗生素（世界上用的抗生素）殺傷的遺傳突變，但并不足以解釋全部的現(xiàn)象。例如，在某些情況下，盡管單一的細(xì)菌通常無(wú)法抵抵抗抗生素殺傷，但形成數(shù)量龐大的菌落之后則可能有效抵抗。
對(duì)此，杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授Lingchong You和他的研究生Carolyn Zhang希望找到更加準(zhǔn)確的檢測(cè)手段，從而放大一個(gè)特定的菌株生物學(xué)特征，并不僅用于鑒定病原體，還可以對(duì)其他特征（例如抗生素抗性）做出有根據(jù)的猜測(cè)。
“我們認(rèn)為細(xì)菌菌株之間基因的微小差異可能對(duì)其代謝產(chǎn)生微妙的影響。但是因?yàn)榧?xì)菌的生長(zhǎng)是指數(shù)增長(zhǎng)的，所以這種微妙的作用可以被放大到足以讓我們利用。”
細(xì)菌培養(yǎng)物在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)的速度取決于其所生長(zhǎng)的培養(yǎng)基的豐富程度及其化學(xué)環(huán)境。但是隨著數(shù)量的增長(zhǎng)，細(xì)菌會(huì)消耗營(yíng)養(yǎng)并產(chǎn)生化學(xué)副產(chǎn)物。即使不同的菌株在*相同的環(huán)境條件下開(kāi)始，隨著時(shí)間的流逝，它們?cè)谏L(zhǎng)和影響周圍環(huán)境方面的細(xì)微差別也會(huì)累積。
在這項(xiàng)研究中，作者檢測(cè)了200多種細(xì)菌病原體菌株，其中大多數(shù)是大腸桿菌的變異體，首先作者將它們置于相同的生長(zhǎng)環(huán)境中，并隨著細(xì)菌數(shù)量的增加仔細(xì)測(cè)量了它們的種群密度。由于它們之間存在細(xì)微的遺傳差異，這些培養(yǎng)物具有彼此*的時(shí)間波動(dòng)模式。然后，研究人員將生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)程序中，該程序可自學(xué)識(shí)別和匹配不同菌株的生長(zhǎng)曲線。
“僅使用一個(gè)初始條件下的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，該模型就可以識(shí)別出特定菌株，準(zhǔn)確率超過(guò)92％。當(dāng)我們使用四種不同的起始環(huán)境時(shí)，該準(zhǔn)確性提高到了約98％。”
進(jìn)一步，作者希望了解是否可以使用生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)圖譜來(lái)預(yù)測(cè)抗生素抗性。
研究人員再次加載了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)程序，其中包含除了一種菌株之外的所有菌株的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)特征，以及有關(guān)它們對(duì)四種不同抗生素的抗性的數(shù)據(jù)。然后，他們進(jìn)行了測(cè)試，看看生成的模型是否可以根據(jù)其生長(zhǎng)情況預(yù)測(cè)終菌株的抗生素抗性。為了擴(kuò)大其數(shù)據(jù)集，他們對(duì)所有其他菌株重復(fù)了此過(guò)程。
結(jié)果表明，僅生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)圖就能成功預(yù)測(cè)菌株對(duì)抗生素的抗性。
尤說(shuō)：“我們的技術(shù)相比文獻(xiàn)中的某些技術(shù)相當(dāng)或更好，盡管這只是原理上的證明。我們相信，在有了更高分辨率的增長(zhǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)之后，我們可以做得更好。”
研究人員還試圖證明具有相似生長(zhǎng)曲線的菌株是否也具有相似的遺傳特征。事實(shí)證明，兩者是*不相關(guān)的，再次證明了將細(xì)胞特征和行為映射到特定DN段有多么困難