將激光照射在一滴血、粘液或廢水上，反射回來(lái)的光可用于陽(yáng)性鑒定樣品中的細(xì)菌。“我們不僅可以發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的存在，還可以發(fā)現(xiàn)樣品中具體含有哪些細(xì)菌——大腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、沙門氏菌、炭疽病等等，”材料科學(xué)與工程副教授詹妮弗·迪翁說(shuō)，，禮貌地，斯坦福大學(xué)放射學(xué)。“每一種微生物都有自己獨(dú)特的光學(xué)指紋。這就像在光中涂寫的遺傳和蛋白質(zhì)組代碼。”
Dionne是《納米快報(bào)》(NanoLetters)雜志上一項(xiàng)新研究的資深作者，該研究詳細(xì)介紹了她的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種創(chuàng)新方法，這種方法可以更快(幾乎立即)、更便宜、更準(zhǔn)確地對(duì)幾乎任何人們可能想要檢測(cè)微生物的液體進(jìn)行微生物檢測(cè)。
今天仍在使用的傳統(tǒng)培養(yǎng)方法可能需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天才能完成。結(jié)核病培養(yǎng)需要40天，Dionne說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)表示，新的測(cè)試可以在幾分鐘內(nèi)完成，并有望更好更快地診斷感染、改進(jìn)抗生素的使用、更安全的食品、加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和更快的藥物開發(fā)。
老狗，新把戲
突破并不在于細(xì)菌顯示出這些光譜指紋，這是幾十年來(lái)為人所知的事實(shí)，而在于該團(tuán)隊(duì)如何能夠在每個(gè)樣本反射的令人眼花繚亂的光陣列中揭示這些光譜。
“不僅每種細(xì)菌都表現(xiàn)出獨(dú)特的光模式，而且給定樣本中的幾乎所有其他分子或細(xì)胞也表現(xiàn)出獨(dú)特的光模式，”第一作者FareehaSafir博士說(shuō)。Dionne實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。“樣本中的紅細(xì)胞、白細(xì)胞和其他成分正在發(fā)回它們自己的信號(hào)，這使得很難甚至不可能將微生物模式與其他細(xì)胞的噪音區(qū)分開來(lái)。”
一毫升血液(大約雨滴大小)可以包含數(shù)十億個(gè)細(xì)胞，其中只有少數(shù)可能是微生物。該團(tuán)隊(duì)必須找到一種方法來(lái)分離和放大僅從細(xì)菌反射的光。為了做到這一點(diǎn)，他們沿著幾個(gè)令人驚訝的科學(xué)切線冒險(xiǎn)，將一項(xiàng)從計(jì)算中借來(lái)的已有40年歷史的技術(shù)——噴墨打印機(jī)——和我們這個(gè)時(shí)代的兩項(xiàng)尖端技術(shù)——納米粒子和人工智能結(jié)合起來(lái)。
“將細(xì)菌光譜與其他信號(hào)分離的關(guān)鍵是在極小的樣本中分離細(xì)胞。我們使用噴墨打印原理打印數(shù)千個(gè)微小的血液點(diǎn)，而不是詢問(wèn)單個(gè)大樣本，”合著者Butrus解釋說(shuō)。Pierre"Khuri-Yakub，斯坦福大學(xué)電氣工程名譽(yù)教授，他在1980年代幫助開發(fā)了最初的噴墨打印機(jī)。
“但你不能只買一臺(tái)現(xiàn)成的噴墨打印機(jī)并添加血液或廢水，”Safir強(qiáng)調(diào)說(shuō)。為了規(guī)避處理生物樣本的挑戰(zhàn)，研究人員修改了打印機(jī)，使用聲脈沖將樣本打印到紙上。每個(gè)打印出來(lái)的血點(diǎn)的體積只有一升的萬(wàn)億分之二——比雨滴小十億倍以上。在這種規(guī)模下，液滴非常小，可能只容納幾十個(gè)細(xì)胞。
此外，研究人員將金納米棒注入樣品中，如果存在的話，這些金納米棒會(huì)附著在細(xì)菌上，并像天線一樣，將激光引向細(xì)菌，并將信號(hào)放大到其未增強(qiáng)強(qiáng)度的大約1500倍。適當(dāng)分離和放大后，細(xì)菌光譜就像科學(xué)大拇指一樣突出。
難題的最后一部分是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)比較從每個(gè)打印的流體點(diǎn)反射的幾個(gè)光譜，以發(fā)現(xiàn)樣本中任何細(xì)菌的指示性特征。
“這是一種具有挽救生命影響潛力的創(chuàng)新解決方案。我們現(xiàn)在對(duì)商業(yè)化機(jī)會(huì)感到興奮，這可以幫助重新定義細(xì)菌檢測(cè)和單細(xì)胞表征的標(biāo)準(zhǔn)，”高級(jí)合著者AmrSaleh說(shuō)，他曾是該研究所的博士后學(xué)者。Dionne的實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在是開羅大學(xué)的教授。
雖然這項(xiàng)技術(shù)是使用血液樣本創(chuàng)建和完善的，但Dionne同樣有信心將其應(yīng)用于細(xì)菌以外的其他類型的液體和目標(biāo)細(xì)胞，例如測(cè)試飲用水的純度，或者更快、更準(zhǔn)確、更低成本地發(fā)現(xiàn)病毒成本比現(xiàn)在的方法。
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