Чтобы выявить низкие уровни вредных бактерий среди большого количества клеток крови человека, исследователи впервые расплавили бактериальную ДНК в 20000 чрезвычайно малых одновременных реакций. Каждая реакция содержала всего 20 пиколитров — масштаб, который трудно представить: одна капля дождя содержит сотни тысяч пиколитров.Каждый тип ДНК имеет определенную сигнатуру, поскольку она распадается во время плавления.
По мере визуализации и анализа процесса плавления исследователи могут использовать машинное обучение, чтобы определить, какие типы ДНК появляются в образцах крови. Во время экспериментов система точно идентифицировала в 99% случаев последовательности ДНК бактерий, вызывающих пищевые заболевания и пневмонию — менее чем за четыре часа.«Одновременный анализ такого количества реакций в таком небольшом масштабе никогда раньше не предпринимался», — сказала Стефани Фрейли, профессор биоинженерии инженерной школы Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего и ведущий автор статьи. «Большинство молекулярных тестов рассматривают ДНК в гораздо большем масштабе и ищут только один тип бактерий за раз.
Мы анализируем все бактерии в образце. Это гораздо более целостный подход».
Современные методы, используемые для обнаружения и идентификации бактерий, основаны на посевах, что может занять несколько дней. Это слишком долго, чтобы предоставить врачам эффективный и своевременный инструмент диагностики — это знает любой, кому прописали антибиотики в ожидании результатов анализов.«Мы руководствуемся клиническими потребностями», — сказал Фрейли.
Она собрала команду биоинженеров, клиницистов, инженеров-электриков и компьютерных специалистов для разработки более быстрой системы диагностики.Как это работаетВсе начинается с одного миллилитра крови, которую исследователи привили Listeria monocytogenes, пищевой бактерией, вызывающей около 260 смертей в год в Соединенных Штатах, и Streptococcus pneumoniae, вызывающей все, от инфекций носовых пазух до пневмонии и менингита.Исследователи выделили всю ДНК из образца крови.
Затем ДНК помещали на цифровой чип, который позволял каждой части независимо размножаться в своей собственной небольшой реакции. Чтобы процесс работал в таких малых масштабах — каждая лунка, содержащая ДНК в чипе, имела объем всего 20 пиколитров — исследователи использовали запатентованную смесь химикатов, на которую распространяется предварительный патент.Чип с амплифицированной ДНК был помещен в инновационный высокопроизводительный микроскоп, разработанный Фрейли и ее командой. Затем ДНК нагревали с шагом 0,2 градуса Цельсия, заставляя ее плавиться при температуре от 50 до 90 градусов Цельсия — примерно от 120 до 190 градусов по Фаренгейту.
Когда двойная спираль ДНК тает, связи, удерживающие вместе нити ДНК, разрываются. В зависимости от последовательности ДНК связи имеют разную силу, и это меняет способ раскручивания нитей друг от друга.
Это создает уникальный, зависящий от последовательности отпечаток пальца, который исследователи могут обнаружить с помощью специального красителя. Краситель заставляет процесс разматывания испускать флуоресцентный свет, создавая то, что исследователи называют кривой плавления, — уникальную сигнатуру для каждого типа бактерий.Когда инженеры визуализировали процесс плавления с помощью высокопроизводительного микроскопа, они смогли получить кривые плавления бактерий.
Затем они проанализировали кривые с помощью разработанного ими алгоритма машинного обучения.В предыдущей работе алгоритм был обучен на 37 различных типах бактерий, претерпевающих разные реакции в разных условиях. Исследователи показали, что он может идентифицировать штаммы бактерий с точностью 99 процентов.
Напротив, коэффициент ошибок для традиционных методов может достигать 22,6 процента.Следующие шаги
Следующие шаги включают уменьшение размера системы, чтобы ее было легче развернуть в клиниках и кабинетах врачей. Исследователи также хотят добавить в систему возможность обнаруживать грибковые и вирусные патогены, а также гены устойчивости к антибиотикам. Они также хотят дополнительно подтвердить свои результаты на образцах пациентов.Фрейли надеется, что эта система будет доступна врачам в ближайшие пять лет.
«Это может помочь людям, находящимся поблизости или в месте оказания медицинской помощи», — сказала она. «При дальнейших улучшениях его также можно будет развернуть в условиях нехватки ресурсов. Это простой и новаторский подход».