化学舌头：使用荧光聚合物和机器学习识别生物样本

化学舌头：使用荧光聚合物和机器学习识别生物样本

2023/04/26

使用荧光聚合物和机器学习识别生物样本化学舌头 短时间内检测小鼠肠道菌群的睡眠障碍

不仅在医学和生物学领域，而且在食品、农业、医疗、环境和能源等各个领域。使用从细胞、基因和蛋白质等物质获得的信息确实如此。例如，检查过敏的血液检查和检查健康风险和体质的基因检查已经投入实际应用，并为个人提供服务。许多其他生物测试技术已经被开发出来，但是可研究的样本和物品有限需要大量的金钱和时间来衡量塔里，处理样品和设备所需的专业知识
AIST 是开发了“化学舌”，一种使用特殊荧光聚合物和机器学习来区分这些生物测试所需样本特征的技术我做到了。 (2022/4/26 新闻稿) 这项技术可以快速、轻松且廉价地确定样品的成分，包括蛋白质、细胞、微生物、血液、尿液可用于任何生物样本，用途极其广泛我们询问了在这项技术的开发中发挥关键作用的两位研究人员，该技术有可能彻底改变生物测试，以及实际应用的路径。

受到味觉机制的启发 - 测量复杂样品的技术

　为什么我们喝果汁的时候很容易就能分辨出是橙汁还是葡萄汁呢？这是因为人类有能力掌握由多种分子组成的复杂果汁的整体特征。

　在研究蛋白质等生物聚合物的结构和物理性质时，健康与医学工程研究部的富田俊介对人类感觉能力的机制产​​生了兴趣。

　人类的味觉并不能单独确定橙汁中含有哪些分子以及浓度。这种机制至今仍然存在，因为它在漫长的进化过程中具有优势。我们认为，如果我们能够成功模仿人类所维持的味觉机制，我们就能够分析由多种物质组成的复杂生物样本。”他们开发的是化学舌，这是一种新技术，通过将一组特殊的聚合物与机器学习相结合来模仿味觉机制，可以识别蛋白质、细胞、微生物、血液和尿液等生物样本的特征。

模仿味觉机制意味着什么？人类通过舌头上称为味蕾的器官来感知味道。味蕾由数十个味觉细胞组成，味觉细胞尖端的蛋白质充当味觉传感器，检测味觉物质并将此信息传输到大脑。根据这些信息，大脑对味道做出判断。

　化学舌由模仿味觉细胞功能的荧光聚合物和模仿大脑功能的机器学习组成。制备几种与生物样品中的成分接触时发出荧光的聚合物并作为一组使用。根据样品中成分的性质，每种聚合物以不同的强度结合，结合越强，发出的荧光越强。当每种聚合物与微孔板（一种带有许多孔的实验室设备）上的生物样品混合并测量整体荧光时，每个生物样品都会出现不同的荧光图案。通过使用机器学习分析这种荧光图案，可以确定生物样本的特征。

通过模式识别生物样本的成分

　“化学舌”技术的关键在于，它可以根据“模式”的差异来区分成分复杂的生物样本。

　在药物开发中，分析和评估从植物和动物中收集的蛋白质、细胞、微生物、血液和尿液等生物样品至关重要。然而，它们的组成复杂多样。例如，当检查对从癌症患者获得的肿瘤组织或细胞施用药物时的变化时，药物的作用机制是多种多样的，并且反应会随时变化。因此，有必要确定药物作用于癌细胞的哪一部分并监测随时间的变化。

此外，发酵食品中微生物的组成根据生产环境和工艺的不同而发生复杂的变化，从而影响食品的风味和功能。因此，对发酵食品的每个生产过程进行样品评价对于产品开发和质量控制至关重要，但也不是那么容易。很多时候，我们别无选择，只能依靠工匠的知识和经验。

　利用现有技术，为了分析和评估此类生物样品，需要对每种类型的蛋白质、RNA和代谢物进行检测和比较。 “化学舌”利用反映整个样本特征的“模式”来区分成分如此复杂的生物样本，因此不需要分离或纯化目标分子，比传统技术更容易、更快捷。富田反复验证了这项技术可以用来识别蛋白质和细胞，并确信该技术是适用的。

从小鼠肠道菌群中识别睡眠障碍

　富田接下来想到的是是否可以用它来研究微生物，尤其是工业上需求量很大的肠道菌群。人体肠道内有1000多种细菌，数量从100万亿到1000万亿不等。最近的研究表明，肠道菌群与健康状况和疾病的发生密切相关，并且正在积极进行研究分析肠道菌群以诊断疾病和健康状况，并控制肠道菌群的状态以改善或预防疾病。

　然而，原本专门从事聚合物等化学实验的富田对于评估什么样的样品或如何制备这些样品并不了解或经验。

因此，我们向从事微生物研究的生物过程研究部的草田博之寻求帮助。

　草田正在进行微生物如何在自然环境中生存以及它们如何影响环境等主题的研究。他还拥有从含有多种细菌物种的环境样本中分离未知微生物并揭示其新功能的技术。他是一位详细研究微生物的专家。

即使对于库萨达来说，分析肠道菌群也不是一件容易的事。 “了解肠道菌群中存在哪些类型的细菌以及其比例是多少，唯一的方法是分析菌群的基因，这是非常费力、耗时和昂贵的。而且，大多数肠道细菌都是专性厌氧菌，接触氧气就会死亡。为了详细了解肠道菌群，我们还需要在细菌存活时对其进行培养的技术。”

　为了使用现有方法分析组成肠道菌群的细菌种类，首先从粪便收集的样本中提取微生物群体的基因组DNA，并使用PCR（聚合酶链式反应）扩增用作细菌分类指标的特定基因组区域。使用高速测序仪分析扩增的基因组区域以揭示碱基序列，并将该序列与公共基因序列数据库进行检查，最终揭示肠道菌群的概况。除了需要经过这些多个步骤之外，使用测序仪进行基因组分析如果外包，成本高达数十万日元，并且需要大约一个月的时间才能获得数据。 “当我听到富田先生的故事时，我变得非常感兴趣，因为只需将细菌与聚合物混合并测量荧光就可以识别细菌，”草田回忆道。

即便如此，突然尝试研究未知的肠道菌群也是一个很高的障碍。因此，为了逐步进行研究，以确定是否可以准确区分分离和鉴定的细菌，我们验证了“化学舌头”是否可以用于区分谱系和生理功能已知的细菌A和细菌B的标准菌株。

　“在这个阶段，我深感震惊，”库萨达说。 “要正式对细菌进行分类，需要进行繁琐的基因分析。如果细菌A和B有系统发育相关性，我们可以进一步在显微镜下观察微生物的形态，对细胞进行染色看颜色的差异，找出它们喜欢吃什么食物，检查它们的生长情况。只有经过如此详细的分析，我们才能发现A和B是不同的细菌。但是，‘化学舌’不会做这些，只是将培养液和聚合物混合并测量荧光，只需几分钟的时间。”只需几分钟就可以确定细菌 A 和 B 是‘不同的’。我认为这是一项革命性的技术。”

　接下来，我们测试了是否可以区分10到20种不同的肠道细菌菌株，以及是否可以将多种肠道细菌以不同的比例混合并区分比例的差异，发现两种测试都能够以很高的准确率进行区分。在确认“化学舌”是一项可以实际使用的技术后，决定尝试利用小鼠粪便样本来确定肠道菌群。实验中使用了睡眠障碍的小鼠模型。

　近年来，人们发现睡眠障碍与肠道菌群紊乱密切相关，因此我们验证了“化学舌”能否区分正常小鼠和睡眠障碍模型小鼠的肠道菌群。结果，“化学舌头”能够通过分析肠道菌群来清楚地识别健康状况（睡眠障碍），这甚至连微生物专家都说很难。

　在目睹了能够轻松准确地识别微生物的“化学舌头”的吸引力后，草田强烈地希望更多的人使用这项技术。

　现有的下一代序列分析之所以被这么多人使用，是因为碱基序列数据库庞大。使用Chemical Tongue的人越多，数据库就会扩大得越多，所以我希望很快会有更多的人能够使用这项技术。 “舌头”并不是取代现有微生物群分析方法（下一代序列分析）的技术。通过使用互补的方法，例如使用“化学舌”粗略地确定样本的特征，然后使用现有的下一代序列分析来详细识别存在的细菌类型，我相信肠道菌群分析的准确性可以得到显着提高，研究可以更有效地进行。”

　富田本人谈到这项技术时说：“过去，分析生物样本的唯一选择是检测特定分子的方法，例如生化分析和组学分析。虽然我们不知道是否存在遗传差异，但这种方法可以显示整体特性存在差异。我觉得即使以这种通用方式，我们也能够为检查生物样本提供新的选择。''

旨在增加可做的事情并将其付诸实际使用

“化学舌”不仅可以用于肠道内的微生物，还可以用于所有环境中的微生物。例如，众所周知，土壤中的细菌菌群会影响植物的生长，因此正在进行大量研究来控制土壤中的细菌菌群，以提高作物产量并减少农药的使用。 “化学舌头”还可用于农业和食品领域。分析农作物生长良好的土壤中细菌菌群的荧光模式，可用于筛选以确定哪些土壤适合种植农作物。此外，如果能够鉴定出具有所需特征的样本，则可以进行研究以寻找那里存在的有用的未知微生物。在湖泊、河流和温泉等不同环境中，同样可以预期在详细检查细菌菌群样本之前进行粗略筛选的发展。

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目前，富田正在通过从联合研究合作伙伴处接收样本进行分析，但计划最终将整个实验系统移交给合作伙伴并可供外部使用。

　富田热情地表示：“为了实现这一目标，存在一些问题，例如使其更易于使用，但我们在同一组织内拥有设备、机器学习和机器人等各个领域的专家，因此我们的目标是通过利用 AIST 内部的协作将其商业化。”

　我希望“化学舌”能够在不久的将来成为生物样本鉴定的标准平台。