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人工智能幫助預(yù)測耐藥性超級(jí)細(xì)菌
點(diǎn)擊次數(shù)：1038 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,，可以通過對(duì)細(xì)菌的生長動(dòng)態(tài)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)分析來區(qū)分不同菌株，然后可以準(zhǔn)確地預(yù)測其他特征,，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，更簡單,，更便宜,，更準(zhǔn)確的識(shí)別疾病和預(yù)測菌株行為的優(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)家才可以簡單地進(jìn)行基因測試,。
然而，基因測序并不是普遍的，通?？赡苄枰荛L時(shí)間,。即使具有對(duì)整個(gè)基因組進(jìn)行測序的能力，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,。
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,。
“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)菌的生長是指數(shù)增長的，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)室中生長的速度取決于其所生長的培養(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，細(xì)菌會(huì)消耗營養(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)境條件下開始,，隨著時(shí)間的流逝，它們在生長和影響周圍環(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環(huán)境中,，并隨著細(xì)菌數(shù)量的增加仔細(xì)測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曲線,。
“僅使用一個(gè)初始條件下的生長數(shù)據(jù)，該模型就可以識(shí)別出特定菌株,，準(zhǔn)確率超過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動(dòng)態(tài)圖譜來預(yù)測抗生素抗性,。
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)行了測試,，看看生成的模型是否可以根據(jù)其生長情況預(yù)測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)了此過程,。
結(jié)果表明,，僅生長動(dòng)態(tài)圖就能成功預(yù)測菌株對(duì)抗生素的抗性。
尤說：“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