萊斯大學(xué)的科學(xué)家發(fā)明了一種技術(shù)，可以使用一套隨機(jī)DNA探針簡單，快速，低成本地識(shí)別數(shù)百種細(xì)菌病原體。賴斯的“通用微生物診斷”(UMD)使用隨機(jī)組裝的DNA片段和數(shù)學(xué)技術(shù)，這些技術(shù)最初是數(shù)字電話和相機(jī)內(nèi)信號(hào)處理器的先驅(qū)。

本周在Science Advances的一篇論文中，賴斯的研究團(tuán)隊(duì)使用實(shí)驗(yàn)室測試來驗(yàn)證UMD可以使用相同的五個(gè)隨機(jī)DNA探針識(shí)別11種已知的細(xì)菌菌株。因?yàn)樘结槻皇翘囟ㄓ谔囟膊〉奶禺愋?，所以該技術(shù)提供了基于基因組的細(xì)菌鑒定系統(tǒng)，其不需要DNA探針與致病物種的一對(duì)一比例。

“如果今天的實(shí)驗(yàn)室想要測試200種已知的致病物種，他們需要進(jìn)行200種不同的測試，每種測試都有自己特定的DNA探針，專門設(shè)計(jì)用于與特定病原體的DNA結(jié)合，”研究報(bào)告的共同作者Richard Baraniuk說。這項(xiàng)新研究的首席科學(xué)家。“我們的技術(shù)根本不同。通過一小組DNA探針，我們可以測試大量物種。”

這項(xiàng)新研究包括幾項(xiàng)計(jì)算機(jī)模擬，其中一項(xiàng)研究顯示隨機(jī)選擇五種探針如何識(shí)別40種不同的細(xì)菌菌株，另一項(xiàng)研究表明該系統(tǒng)如何準(zhǔn)確區(qū)分24種不同的金黃色葡萄球菌。

Baraniuk說，根據(jù)美國疾病控制和預(yù)防中心的數(shù)據(jù)，UMD可以幫助治療和限制抗生素耐藥細(xì)菌的傳播，這種細(xì)菌在美國每年至少導(dǎo)致200萬例感染和23,000例死亡。

“在許多美國醫(yī)院，確切地確定使某人生病的特定細(xì)菌仍需要幾天時(shí)間，”賴斯的電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Victor E. Cameron教授Baraniuk說。“缺乏快速的細(xì)菌診斷可以促進(jìn)抗生素耐藥性。擁有一個(gè)準(zhǔn)確，高效和快速的系統(tǒng)，可以快速，廉價(jià)地識(shí)別傳染性病原體，這將有所幫助，這樣的系統(tǒng)也將成為公共衛(wèi)生，國防，全球健康和環(huán)境的寶貴工具?？茖W(xué)。”

歷史上，科學(xué)家通過首先培養(yǎng)樣品來識(shí)別細(xì)菌 - 這個(gè)過程需要幾天時(shí)間 - 然后在顯微鏡下檢查生物體。最近使用聚合酶鏈反應(yīng)或PCR和基因組測序的基因組鑒定方法可以更快，但需要昂貴的設(shè)備和培訓(xùn)以及針對(duì)待測試的每種病原體的特定DNA探針。探針是來自已知疾病的互補(bǔ)DNA的片段。如果來自患者樣本的DNA與疾病探針中的互補(bǔ)DNA結(jié)合，那么該疾病的診斷是陽性的。

“探針A僅適用于發(fā)現(xiàn)細(xì)菌A，探針B僅適用于發(fā)現(xiàn)細(xì)菌B，”該研究的主要作者Amirali Aghazadeh說，他是Baraniuk實(shí)驗(yàn)室電氣和計(jì)算機(jī)工程的研究生。“制造這種針對(duì)新疾病的探針可能需要數(shù)天到數(shù)月，而且還需要昂貴的設(shè)施，這些設(shè)施僅在發(fā)達(dá)國家可用。

“通過通用的微生物診斷，我們不需要新的探頭或改變傳感硬件的任何其他部分，”他說。“對(duì)于任何新發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌菌株，我們可以稍微調(diào)整一下軟件，然后同一平臺(tái)可以像其他任何一樣識(shí)別新細(xì)菌。”

Rice的系統(tǒng)不是根據(jù)與特定探針的100%匹配來鑒定目標(biāo)菌株，而是測試靶DNA與互補(bǔ)DNA的幾個(gè)不同隨機(jī)區(qū)段的結(jié)合程度。UMD使用稱為壓縮感知的數(shù)學(xué)技術(shù)，這是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的先驅(qū)。通過壓縮感應(yīng)，疾病DNA不需要與100%的探針結(jié)合。相反，UMD系統(tǒng)測量疾病DNA與每個(gè)隨機(jī)探針結(jié)合的程度，并為測試生物創(chuàng)建特異性結(jié)合譜。然后，它使用演繹推理來確定該配置文件是否與任何已知病原體的配置文件匹配。

“我們相信該系統(tǒng)對(duì)于快速準(zhǔn)確地尋找已知目標(biāo)非常有用，例如世界衛(wèi)生組織已知病原體清單上的任何生物體，但這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是我們甚至可以獲得有用信息該研究的共同作者，生物工程和電氣與計(jì)算機(jī)工程教授Rebekah Drezek說。“我們能夠分辨出一種新疾病與哪種病原體密切相關(guān)。”