Универсальный микробный диагностикум: один набор зондов для идентификации сотен патогенов

Ученые из Университета Райс изобрели технологию, которая потенциально может идентифицировать сотни бактериальных патогенов просто, быстро и с низкой стоимостью, используя один набор случайных ДНК-зондов. Их «универсальный микробный диагностикум» (UMD) использует фрагменты случайно собранной ДНК и математические методы, изначально разработанные для сигнальных процессоров в цифровых телефонах и камерах.

В статье, опубликованной в Science Advances, исследовательская группа проверила в лабораторных тестах, что UMD может идентифицировать 11 известных штаммов бактерий, используя одни и те же пять случайных ДНК-зондов. Поскольку зонды не специфичны для конкретного заболевания, технология предоставляет систему идентификации бактерий на геномной основе, которая не требует соотношения «один к одному» между ДНК-зондами и патогенными видами.

«Если лаборатория сегодня хочет протестировать 200 известных патогенных видов, ей нужно 200 разных тестов, каждый со своим специфическим ДНК-зондом, разработанным специально для связывания с ДНК конкретного патогена», — говорит соавтор исследования Ричард Баранюк. — «Наша технология принципиально иная. С небольшим набором ДНК-зондов мы можем тестировать большое количество видов».

Новое исследование включает несколько компьютерных симуляций:

• Одна показывает, как случайный выбор из пяти зондов может идентифицировать 40 различных штаммов бактерий.
• Другая демонстрирует, как система может точно дифференцировать 24 различных вида Staphylococcus.

По словам Баранюка, UMD может помочь в лечении и сдерживании распространения антибиотикорезистентных бактерий, которые ежегодно вызывают не менее 2 миллионов инфекций и 23 000 смертей в США (данные CDC).

«Во многих больницах США все еще требуется несколько дней, чтобы окончательно идентифицировать конкретную бактерию, вызывающую заболевание», — отмечает Баранюк. — «Отсутствие быстрой бактериальной диагностики способствует устойчивости к антибиотикам».

Как это работает?

В отличие от традиционных методов, где зонд A находит только бактерию A, UMD не требует 100% совпадения со специфическим зондом. Вместо этого система измеряет, насколько хорошо ДНК патогена связывается с каждым из случайных зондов, создавая уникальный профиль связывания для тестируемого организма. Затем с помощью дедуктивного рассуждения определяется, соответствует ли этот профиль профилю любого из известных патогенов.

Ключевую роль играет математический метод компрессивного зондирования (compressive sensing), заимствованный из области цифровой обработки сигналов.

Преимущества технологии:

• Универсальность: Для идентификации нового бактериального штамма не нужны новые зонды или изменения в аппаратной части сенсора. Достаточно адаптировать программное обеспечение.
• Информативность для новых патогенов: Система предоставляет полезную информацию даже для организмов, которые никогда не секвенировались, позволяя определить, к какому известному патогену новое заболевание наиболее близко.
• Потенциальная скорость и экономичность: Технология обещает быструю, точную и недорогую идентификацию, что ценно для общественного здравоохранения, обороны и глобальной медицины.