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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：6184
中科院微生物研究團隊利用拉曼光譜結(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隊在微生物表征研究上取得進展，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)能夠在單細胞水平，無損、非標(biāo)記地實時監(jiān)測細胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、脂類和代謝產(chǎn)物等的組成和變化，獲得細胞全部的拉曼圖譜信息，即“拉曼組”信息，從而對微生物單細胞進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胞水平快速鑒定微生物的研究。團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胞，在操縱單細胞的同時激發(fā)細胞產(chǎn)生拉曼散射。同時為了有效利用拉滿足數(shù)據(jù)，團隊設(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)了微生物單細胞水平的快速準(zhǔn)確鑒定。單細胞水平鑒定微生物的平均正確率達到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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