[發明專利]一種基于擬靶向代謝組學深度指紋實現細菌分類與鑒定的方法

在審

• 申請號: 202110997102.5
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113744808A
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 吳清平;馮穎;丁郁;韋獻虎;張友雄;陳謀通;張菊梅;楊小娟;陳玲;代京莎;楊寧;陳惠元
• 申請（專利權）人: 廣東省科學院微生物研究所（廣東省微生物分析檢測中心）
• 主分類號: G16B40/00
• 分類號: G16B40/00;G16B50/00;G06T7/13;G06T7/00;G06N3/08;G06N3/04;G06K9/62;G01N30/86
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 劉明星;朱聰聰

本發明公開了一種基于擬靶向代謝組學深度指紋實現細菌分類與鑒定的方法。對待鑒別的樣品進行前處理，對處理后的樣品進行代謝輪廓的采集，采集的數據經過歸一化處理后，利用處理后的圖譜進行細菌的鑒別。1、本方法只需要代謝物的提取過程，相比PCR技術，不需要等溫擴增等步驟大大減少了檢測時間，快速給出鑒別結果；2、本方法在采集方法和數據庫建立成功后，不再需要高分辨質譜的參與，可以直接利用三重四級桿質譜，不但提高了數據質量和穩定性，而且降低了檢測和儀器維護成本，更有利于大規模應用；3、代謝組與表型直接相關，加上質譜的高靈敏性，大大放大了菌株間的細微差異，可以更有效的實現菌株的鑒定和分類。

技術領域：

本發明涉及分析化學領域、代謝組學領域、深度學習領域以及細菌的分類與鑒定領域，涉及一種基于擬靶向代謝組學技術與深度學習技術結合實現菌種的鑒定與分類的新方法。

背景技術：

代謝組學以一種整體的形式在分析生物系統的化學多樣性方面已被證實是一種有力的工具，且其與表型直接相關，能更靈敏的反應不同物種間的細微差異。常規的代謝組學分析策略主要有非靶向和靶向兩種，前者一般使用高分辨質譜獲得豐富的代謝物信息，但存在數據復雜、重復性差、線性范圍窄等缺點；后者一般使用三重四極桿質譜，數據質量有很大提高，但通常只檢測已知代謝物，覆蓋度低。針對上述特點，擬靶向代謝組學的概念被提出，目前該方法已被延伸到液相色譜-質譜領域，該方法在建立之初，用高分辨質譜獲取代謝物的離子對信息，而在實際樣品分析時采用靶向的多反應檢測(MRM)方式測量代謝物的豐度，方法覆蓋度高、線性和重復性良好，且不需要標樣來限定檢測的代謝物。目前，高覆蓋度的(半)定量代謝組學方法在生命科學各領域均受到重視，擬靶向方法將會起到越來越重要的作用。

自本世紀初以來，深度學習得到了迅速發展，如今在各個領域都展現出了最先進的表現。深度學習由大數據獲取、并行和分布式計算能力以及復雜的訓練算法發展而來，促進了圖像識別、語音識別和自然語言處理等多個領域的重大進展。目前，在生物學領域的應用也越來越廣泛，如生物標志物開發的中藥領域、基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、結構生物和化學。

食源性致病菌是危害人類健康的極其重要的問題，已確定的食源性疾病有250多種。。這些致病菌包括單核細胞增生李斯特菌、沙門氏菌、大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌、腸球菌、小腸結腸炎耶爾森氏菌、蠟樣芽孢桿菌等。食源性病原體可引起多種健康問題，例如重復性腸道感染、中樞神經系統疾病、關節炎、腎臟疾病和失明。開發靈敏、快速的方法來嚴格監測各種食源性致病菌是必要和緊迫的。這些致病菌中，部分遺傳相關性較高的菌種，如志賀氏菌和大腸桿菌、蘇云金芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌等，即使用MALDI-TOF-MS方法，也無法通過常規標準程序直接區分。此外，MALDI-TOF-MS方法分析樣品所需的基板、儀器、儀器維護等均價格昂貴，大大增加了鑒定成本，不利于大規模應用。迄今為止，仍然缺乏對病原菌進行鑒定和分型的有效手段，需要新的穩健、快速和可靠的方法來檢測病原體。

由于代謝組與表型直接相關，細微差異也可以顯現出來，使其有望成為比MALDI-TOF-MS細菌鑒定和分類更有力的工具。已有研究報道，通過代謝組學模式識別篩選差異代謝物，建立了以生物標志物來進行病原體識別和快速檢測的方法和通過代謝組學輪廓進行識別的兩種有效方法，使得代謝組學技術可以成為食源性病原體和腐敗微生物的檢測與鑒定平臺。然而，針對這兩種方法，一方面篩選得到的生物標記物驗證困難，對進一步用于鑒定的有效性評價也并未見報道；另一方面，以上分析方法都依賴于高分辨質譜，價格昂貴，維護成本高，使得其用于細菌鑒定和分類的成本大大提高，不利于其大規模應用。

發明內容：

本發明的目的是為了克服現有技術存在的缺陷，提供一種基于擬靶向代謝組學輪廓和深度學習實現細菌分類與鑒定的方法，其采用擬靶向代謝組學技術，用LC-QQQ-MS獲取不同菌種的代謝輪廓，結合機器學習技術，實現細菌不同屬，不同種，不同血清型以及耐藥性菌株的識別和鑒定。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：