研究人员找到了用少量DNA探针鉴定许多病原体的方法

莱斯大学的科学家发明了一种技术，可以使用一套随机DNA探针简单，快速，低成本地识别数百种细菌病原体。赖斯的“通用微生物诊断”(UMD)使用随机组装的DNA片段和数学技术，这些技术最初是数字电话和相机内信号处理器的先驱。

本周在Science Advances的一篇论文中，赖斯的研究团队使用实验室测试来验证UMD可以使用相同的五个随机DNA探针识别11种已知的细菌菌株。因为探针不是特定于特定疾病的特异性，所以该技术提供了基于基因组的细菌鉴定系统，其不需要DNA探针与致病物种的一对一比例。

“如果今天的实验室想要测试200种已知的致病物种，他们需要进行200种不同的测试，每种测试都有自己特定的DNA探针，专门设计用于与特定病原体的DNA结合，”研究报告的共同作者Richard Baraniuk说。这项新研究的首席科学家。“我们的技术根本不同。通过一小组DNA探针，我们可以测试大量物种。”

这项新研究包括几项计算机模拟，其中一项研究显示随机选择五种探针如何识别40种不同的细菌菌株，另一项研究表明该系统如何准确区分24种不同的金黄色葡萄球菌。

Baraniuk说，根据美国疾病控制和预防中心的数据，UMD可以帮助治疗和限制抗生素耐药细菌的传播，这种细菌在美国每年至少导致200万例感染和23,000例死亡。

“在许多美国医院，确切地确定使某人生病的特定细菌仍需要几天时间，”赖斯的电气和计算机工程教授Victor E. Cameron教授Baraniuk说。“缺乏快速的细菌诊断可以促进抗生素耐药性。拥有一个准确，高效和快速的系统，可以快速，廉价地识别传染性病原体，这将有所帮助，这样的系统也将成为公共卫生，国防，全球健康和环境的宝贵工具。科学。”

历史上，科学家通过首先培养样品来识别细菌 - 这个过程需要几天时间 - 然后在显微镜下检查生物体。最近使用聚合酶链反应或PCR和基因组测序的基因组鉴定方法可以更快，但需要昂贵的设备和培训以及针对待测试的每种病原体的特定DNA探针。探针是来自已知疾病的互补DNA的片段。如果来自患者样本的DNA与疾病探针中的互补DNA结合，那么该疾病的诊断是阳性的。

“探针A仅适用于发现细菌A，探针B仅适用于发现细菌B，”该研究的主要作者Amirali Aghazadeh说，他是Baraniuk实验室电气和计算机工程的研究生。“制造这种针对新疾病的探针可能需要数天到数月，而且还需要昂贵的设施，这些设施仅在发达国家可用。

“通过通用的微生物诊断，我们不需要新的探头或改变传感硬件的任何其他部分，”他说。“对于任何新发现的细菌菌株，我们可以稍微调整一下软件，然后同一平台可以像其他任何一样识别新细菌。”

Rice的系统不是根据与特定探针的100%匹配来鉴定目标菌株，而是测试靶DNA与互补DNA的几个不同随机区段的结合程度。UMD使用称为压缩感知的数学技术，这是数字信号处理领域的先驱。通过压缩感应，疾病DNA不需要与100%的探针结合。相反，UMD系统测量疾病DNA与每个随机探针结合的程度，并为测试生物创建特异性结合谱。然后，它使用演绎推理来确定该配置文件是否与任何已知病原体的配置文件匹配。

“我们相信该系统对于快速准确地寻找已知目标非常有用，例如世界卫生组织已知病原体清单上的任何生物体，但这种方法的另一个优点是我们甚至可以获得有用信息该研究的共同作者，生物工程和电气与计算机工程教授Rebekah Drezek说。“我们能够分辨出一种新疾病与哪种病原体密切相关。”