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拉曼光譜結(jié)合人工智能 微生物所在無損表征微生物研究中取得進(jìn)展
2023年07月20日 09:29:14
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點擊量：6124
中科院微生物研究團(tuán)隊利用拉曼光譜結(jié)合人工智能技術(shù)實現(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,。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日，中科院微生物研究團(tuán)隊在微生物表征研究上取得進(jìn)展,，在線發(fā)表兩項研究成果,，利用拉曼光譜結(jié)合人工智能技術(shù)實現(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”，可以對生物樣品在溶液中進(jìn)行無損,、非標(biāo)記,、非接觸的原位檢測分析。在微生物研究中,，拉曼技術(shù)能夠在單細(xì)胞水平,，無損、非標(biāo)記地實時監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)核酸,、蛋白質(zhì),、脂類和代謝產(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)是一項拉曼光譜在實際應(yīng)用領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院微生物研究所付鈺研究組長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)胞的同時激發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生拉曼散射,。同時為了有效利用拉滿足數(shù)據(jù),，團(tuán)隊設(shè)計了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)算法，讓人工智能對大量的拉曼組數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析,，實現(xiàn)準(zhǔn)確的表征和分類鑒定,。
研究團(tuán)隊利用拉曼光譜結(jié)合人工智能在微生物表征研究上發(fā)表如下兩項最新的研究成果：
一、將單細(xì)胞拉曼組作為微生物識別的“條形碼”,，通過比較一系列深度學(xué)習(xí)算法確定最佳模型,，對12種常見病原微生物鑒定的平均正確率為90.73±9.72%，預(yù)測鮑曼不動桿菌耐藥性的準(zhǔn)確率達(dá)到了99.92±0.06%,，推薦治療抗生素類型的選擇正確率為91.8%，解析了鮑曼不動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),，實現(xiàn)通過拉曼光譜推算特定基因的轉(zhuǎn)錄水平,。以海洋紅樹林厭氧光合紫硫細(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)隊已經(jīng)利用拉曼光鑷結(jié)合人工智能技術(shù)實現(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%,，整個鑒定過程在5分鐘內(nèi)完成,。
(資料來源：中國科學(xué)院微生物研究所)
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