Чтобы определить низкие уровни вредных бактерий среди большого количества человеческих клеток крови, исследователи впервые расплавили бактериальную ДНК в 20 000 чрезвычайно маленьких одновременных реакций. Каждая реакция содержала только 20 picoliters – масштаб, который тверд к картине: одно снижение дождя содержит сотни тысяч picoliters.У каждого типа ДНК есть определенная подпись, поскольку это ломается во время таяния.
Поскольку плавящийся процесс изображен и проанализирован, исследователи могут использовать машинное обучение, чтобы определить, какие типы ДНК появляются в образцах крови. Во время экспериментов, система, точно определенная, 99 процентов времени, последовательностей ДНК от бактерий, вызывающих болезни пищевого происхождения и пневмонию – меньше чем за четыре часа.«Анализируя это много реакций в то же время в этом маленьком масштаб никогда не предпринимался прежде», сказала Стефани Фрэли, преподаватель биоинженерии в Школе Джейкобса Разработки в Сан-Диего UC и ведущего автора газеты. «Большинство молекулярных тестов смотрит на ДНК в намного более широком масштабе и ищет всего один тип бактерий за один раз. Мы анализируем все бактерии в образце.
Это – намного более целостный подход».Текущие методы раньше обнаруживали и определяли, что бактерии полагаются на культуры, которые могут занять дни. Это слишком длинно, чтобы предоставить врачам эффективный и своевременный инструмент диагноза – как любой, кто был прописанными антибиотиками, в то время как ожидание результатов испытаний знает.«Нас ведут клинические потребности», сказал Фрэли.
Она примирила команду биоинженеров, клиницистов, инженеров-электриков и программистов, чтобы разработать более быструю систему диагноза.Как это работаетВсе это начинается с одного миллилитра крови, которую исследователи привили с моноцитогенами Листерии, бактерия пищевого происхождения, которая вызывает приблизительно 260 смертельных случаев в год в Соединенных Штатах и Стрептококке pneumoniae, который вызывает все от инфекций носовых пазух, к пневмонии, к менингиту.Исследователи изолировали всю ДНК от образца крови.
ДНК была тогда помещена в цифровой чип, который позволил каждой части независимо умножаться в ее собственной маленькой реакции. Для процесса, чтобы работать в таких мелких масштабах – каждый хорошо содержащий ДНК в чипе были только 20 picoliters в объеме – исследователи использовали собственное соединение химикатов, подвергающихся временному патенту.Чип с усиленной ДНК был помещен в инновационный микроскоп высокой пропускной способности, который проектировали Fraley и ее команда. ДНК была тогда нагрета в приращениях 0,2 градусов Цельсия, заставив его таять при температурах между 50 – 90 градусами Цельсия – приблизительно 120 – 190 градусов по Фаренгейту.
Поскольку двойная спираль ДНК тает, связи, скрепляющие разрыв нитей ДНК. В зависимости от последовательности ДНК у связей есть различные преимущества, и это изменяет способ, которым берега раскручиваются друг от друга.
Это создает уникальный зависимый от последовательности отпечаток пальца, какие исследователи могут обнаружить использование специальной краски. Краска заставляет процесс раскручивания испускать люминесцентную лампу, создавая то, что исследователи называют тающей кривой – уникальная подпись для каждого типа бактерий.Когда инженеры, изображенные плавящийся процесс с микроскопом высокой пропускной способности, они смогли захватить плавящиеся кривые бактерий. Они тогда проанализировали кривые с алгоритмом машинного обучения, который они разработали.
В предыдущей работе алгоритм был обучен на 37 различных типах бактерий, подвергающихся различным реакциям в различных условиях. Исследователи показали, что это смогло отождествить штаммы бактерий с 99-процентной точностью. В отличие от этого, коэффициент ошибок для традиционных методов может составить до 22,6 процентов.
Следующие шагиСледующие шаги включают сокращение размера системы так, чтобы это могло быть более легко развернуто в клиниках и офисах врачей.
Исследователи также хотят добавить к системе способность обнаружить грибковые и вирусные болезнетворные микроорганизмы, а также гены для устойчивости к антибиотикам. Они также хотят далее утвердить свои результаты на терпеливых образцах.Фрэли надеется, что система будет доступна врачам за следующие пять лет.«У этого есть потенциал, чтобы достигнуть людей рядом или при уходе», сказала она. «С дальнейшим совершенствованием это могло также быть развернуто в параметрах настройки низких ресурсов.
Это – простой и инновационный подход».