Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Surface Chemotaxonomy: Combining Bacteria Extracellular Matrices and Machine Learning for Rapid and Universal Species Identification

生物信息学 计算生物学 生物 生物系统 细菌 拉曼散射 拉曼光谱 基因 生物化学 遗传学 物理 光学
作者
Shi Xuan Leong,Emily Xi Tan,Xuemei Han,Irvan Luhung,Ngu War Aung,Lam Bang Thanh Nguyen,Si Yan Tan,Haitao Li,In Yee Phang,Stephan C. Schuster,Xing Yi Ling
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (22): 23132-23143 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c09101
摘要

Rapid, universal, and accurate identification of bacteria in their natural states is necessary for on-site environmental monitoring and fundamental microbial research. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy emerges as an attractive tool due to its molecule-specific spectral fingerprinting and multiplexing capabilities, as well as portability and speed of readout. Here, we develop a SERS-based surface chemotaxonomy that uses bacterial extracellular matrices (ECMs) as proxy biosignatures to hierarchically classify bacteria based on their shared surface biochemical characteristics to eventually identify six distinct bacterial species at >98% classification accuracy. Corroborating with in silico simulations, we establish a three-way inter-relation between the bacteria identity, their ECM surface characteristics, and their SERS spectral fingerprints. The SERS spectra effectively capture multitiered surface biochemical insights including ensemble surface characteristics, e.g., charge and biochemical profiles, and molecular-level information, e.g., types and numbers of functional groups. Our surface chemotaxonomy thus offers an orthogonal taxonomic definition to traditional classification methods and is achieved without gene amplification, biochemical testing, or specific biomarker recognition, which holds great promise for point-of-need applications and microbial research.
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