Химики разрабатывают экспресс-метод обнаружения супербактерий

Ученые Томского политехнического университета и Сибирского государственного медицинского университета вместе с коллегами из Чехии применили сиамскую нейронную сеть для пикомолярной идентификации фрагмента гена устойчивости к бета-лактамным антибиотикам.

Это позволит создать экспресс-метод обнаружения антибиотико-резистентных бактерий. Результаты исследования опубликованы в журнале Analytica Chimica Acta.

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 700 000 человек. Активное распространение устойчивых к антибиотикам бактериальных штаммов подталкивают ученых к интенсивному поиску новых методов быстрого и надежного определения маркеров чувствительности к антибиотикам. 

В ходе исследования был предложен 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 научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Ольга Гусельникова.

«В рамках данного исследования нами было осуществлено детектирование целевых и нецелевых, отличающихся всего на один нуклеотид, последовательностей ДНК, которые наши коллеги использовали 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%. Это позволит быстро и надежно обнаруживать антибиотико-резистентные бактерии», — комментирует заведующий центром биологических исследований и биоинженерии центральной научно-исследовательской лаборатории СибГМУ Александра Першина.

Полученные результаты позволят осуществлять обнаружение 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.

08.06.2022