通过微生物合成金纳米颗粒和机器学习进行微生物分类鉴定

  作为地球上最古老的生命类型，微生物具有体积小、结构简单、繁殖速度快等特点。微生物的鉴定对于环境污染、食品安全、临床诊断和疾病治疗至关重要。目前，微生物鉴定的金标准方法是基于表型的培养和基于基因型的核酸检测，例如聚合酶链式反应方法。基于培养的微生物鉴定非常准确但耗时。以核酸为基础的检测灵敏度高，然而需要昂贵的设备和熟练的劳动力，这限制了这些技术的广泛应用。随着纳米技术的迅速发展，基于纳米材料的方法由于其优越的性能和微生物检测的简单性而引起了广泛的关注。纳米材料的独特性质源于电子的空间限制和电磁效应，例如表面等离子共振，很大程度上取决于周围介质的尺寸、形状、成分、介电常数和纳米材料的表面改性。迄今为止，人们一直致力于开发简便的基于纳米技术的工具，用于即时微生物诊断。

  基于纳米材料的微生物鉴定方法主要包括基于标记和无标记的策略。基于标记的方法采用探针(例如适体或抗体)来选择性地靶向微生物。相比之下，无标记方法使用没有任何标记的微生物指纹来检测微生物，因为每个微生物都具有生物分子的内在指纹，例如多糖、氨基酸、核酸、脂类、碳水化合物和蛋白质。然而，与标记策略相比，无标记策略对生物活性分子和微生物指纹的非特异性识别具有较低的灵敏度。为了解决这个问题，一种可能的微生物无标记鉴定策略是将生物活性分子的检测转化为由它们生物合成的纳米材料。微生物可以利用酶、蛋白质、脂质、糖类等生物分子来精确调节无机离子并产生微小的无机材料。自从首次报道枯草芽孢杆菌可以将金离子还原为直径小于50 纳米的金纳米粒子以来，研究人员已经证明微生物可以利用55 种元素离子合成100多种纳米粒子。

  本研究开发了一种无标记微生物鉴定策略，该策略根据微生物生物合成金纳米颗粒的不同特征，在不同分类水平上对微生物进行分类。这种无标记策略将生物活性分子的检测转化为连接纳米技术和微生物鉴定的微生物合成金纳米粒子的不同特征。研究者选择不同门、科、属、种的细菌和真菌作为模型微生物，用于合成金纳米颗粒，并表征金纳米颗粒的特征，包括表面等离子共振光谱、粒径和表面电位。与这些特征相对应的是，生物合成金纳米颗粒的最大吸收波长、直径和电位可作为基于机器学习的分析输入数据集。研究者采用机器学习方法来深入分析与生物合成金纳米颗粒相关的输入数据，并生成用于可视化输出。这种策略的一个明显优势是它可以从多个分类级别识别微生物，而无需基因扩增、生化测试和靶向识别，是一种简单、稳定、可靠的微生物检测新策略。

  参考文献：Ting Yu, Shixuan Su, Jing Hu, Jun Zhang, and Yunlei Xianyu. A New Strategy for Microbial Taxonomic Identification through Micro-Biosynthetic Gold Nanoparticles and Machine Learning. Adv. Mater. (2022) DOI: 10.1002/adma.202109365