Российские ученые совместно с коллегами из Чешской Республики применили сиамскую нейронную сеть для пикомолярной идентификации фрагмента гена устойчивости к бета-лактамным антибиотикам. Благодаря исследованию появилась возможность создания экспресс-метода обнаружения антибиотико–резистентных бактерий.
По данным Всемирной организации здравоохранения, бактериальные инфекции — одна из главных причин смертности в мире. Глобальную ежегодную смертность от самых распространенных лекарственно-устойчивых штаммов инфекций оценивают минимум в 700 тыс. человек.
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ), Сибирского государственного медицинского университета (СибГМУ) вместе с коллегами из Чехии предложили расширенный диагностический подход для выявления резистентности бактерий к антибиотикам.
Сенсор основан на методе поверхностно-усиленной Рамановской спектроскопии (SERS), где в качестве субстрата выступала золотая периодическая подложка с привитой одноцепочечной ДНК. Данный SERS-субстрат сочетался со специально разработанной системой принятия решений. Система представляет собой сиамскую нейронную сеть с надежной статистикой и теоремой Байеса. Она позволяет получать обратную связь в спектральном анализе, например, запросы на дополнительный сбор данных. Подход был применен для выявления специфической олигонуклеотидной последовательности ДНК, кодирующей устойчивость к β-лактамным антибиотикам. SERS-анализ образцов позволил выявить присутствие специфической последовательности ДНК в пикомолярной концентрации.
«Для создания сенсора в ТПУ был разработан и оптимизирован метод ковалентной прививки последовательности ДНК с помощью методов поверхностной химии. Он позволяет с высокой степенью прочности прививать различные биомолекулы для их последующего взаимодействия с аналитами. С его помощью мы сначала обучали нейронную сеть на большом массиве данных — около 6000 спектров, собранных со смесей целевых и нецелевых ДНК. После обучения комбинация нейронной сети и SERS-сенсора способа выдавать 4 варианта ответа: резистивный ген присутствует, отсутствует, образец не представляет собой структуры ДНК или необходимы дополнительные данные, чтобы дать ответ с заданной точностью», — рассказывает Ольга Гусельникова, научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ.
Со слов завцентром биологических исследований и биоинженерии центральной научно-исследовательской лаборатории СибГМУ Александра Першина, в рамках исследования было осуществлено детектирование целевых и нецелевых, отличающихся всего на один нуклеотид, последовательностей ДНК, которые использовались в качестве модельных для проведения SERS-анализа. Предлагаемый подход позволяет выявлять целевые последовательности ДНК в очень низкой концентрации (3×10–12 М) с высокой достоверностью ≥99%, что соответственно позволит быстро и надежно обнаруживать антибиотикорезистентные бактерии.
Полученные результаты предоставляют возможность обнаружения резистивных бактерий с высокой степенью чувствительности за очень короткие сроки, не сравнимые со стандартными методами. Кроме того, данные сенсорные системы являются совместимыми с портативными спектрометрами, работа на которых требует минимальной подготовки сотрудников и отличается дешевизной и простотой.
Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Analytica Chimica Acta (Q1, IF:6,558).
