拉曼光譜結(jié)合人工智能 微生物所在無(wú)損表征微生物研究中取得進(jìn)展
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近日，中科院微生物研究團(tuán)隊(duì)在微生物表征研究上取得進(jìn)展，在線發(fā)表兩項(xiàng)研究成果，利用拉曼光譜結(jié)合人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微生物單細(xì)胞水平的快速準(zhǔn)確鑒定并證明了使用拉曼光譜表征基因轉(zhuǎn)錄的可行性。
拉曼光譜作為化學(xué)分子的“指紋圖譜”，可以對(duì)生物樣品在溶液中進(jìn)行無(wú)損、非標(biāo)記、非接觸的原位檢測(cè)分析。在微生物研究中，拉曼技術(shù)能夠在單細(xì)胞水平，無(wú)損、非標(biāo)記地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)和代謝產(chǎn)物等的組成和變化，獲得細(xì)胞全部的拉曼圖譜信息，即“拉曼組”信息，從而對(duì)微生物單細(xì)胞進(jìn)行生理生化的精確表征。但是由于拉曼組承載了海量的信息，如何將其轉(zhuǎn)化成有意義、可利用的微生物學(xué)數(shù)據(jù)是一項(xiàng)拉曼光譜在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。
中國(guó)科學(xué)院微生物研究所付鈺研究組長(zhǎng)期致力于利用拉曼光譜在單細(xì)胞水平快速鑒定微生物的研究。團(tuán)隊(duì)自主搭建了激光拉曼采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用785 nm單色連續(xù)激光光源捕獲微生物單細(xì)胞，在操縱單細(xì)胞的同時(shí)激發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生拉曼散射。同時(shí)為了有效利用拉滿足數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，讓人工智能對(duì)大量的拉曼組數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的表征和分類(lèi)鑒定。
研究團(tuán)隊(duì)利用拉曼光譜結(jié)合人工智能在微生物表征研究上發(fā)表如下兩項(xiàng)最新的研究成果：
一、將單細(xì)胞拉曼組作為微生物識(shí)別的“條形碼”，通過(guò)比較一系列深度學(xué)習(xí)算法確定最佳模型，對(duì)12種常見(jiàn)病原微生物鑒定的平均正確率為90.73±9.72%，預(yù)測(cè)鮑曼不動(dòng)桿菌耐藥性的準(zhǔn)確率達(dá)到了99.92±0.06%，推薦治療抗生素類(lèi)型的選擇正確率為91.8%，解析了鮑曼不動(dòng)桿菌耐藥菌株的拉曼光譜特征，為進(jìn)一步闡明耐藥的分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
二、利用數(shù)學(xué)工具建立拉曼光譜與基因轉(zhuǎn)錄的映射關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)拉曼光譜推算特定基因的轉(zhuǎn)錄水平。以海洋紅樹(shù)林厭氧光合紫硫細(xì)菌為例，逐一映射關(guān)聯(lián)拉曼光譜、硫單質(zhì)和硫球蛋白基因轉(zhuǎn)錄，并驗(yàn)證了該模型推導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄的準(zhǔn)確性，證明了使用拉曼光譜表征基因轉(zhuǎn)錄的可行性。
據(jù)了解，此前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用拉曼光鑷結(jié)合人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微生物單細(xì)胞水平的快速準(zhǔn)確鑒定。單細(xì)胞水平鑒定微生物的平均正確率達(dá)到95.64%，整個(gè)鑒定過(guò)程在5分鐘內(nèi)完成。
(資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院微生物研究所)
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