Machine-Learning Classification of Bacteria Using Two-Dimensional Tandem Mass Spectrometry

随机森林 化学 人工智能 质谱法 支持向量机 串联质谱法 四极飞行时间 卷积神经网络 多层感知器 细菌细胞结构 模式识别(心理学) 四极离子阱 细菌 色谱法 人工神经网络 计算机科学 离子阱 生物 遗传学
作者
L. Edwin Gonzalez,Dalton T. Snyder,Harman Casey,Yanyang Hu,Donna M. Wang,Megan Guetzloff,Nicole Huckaby,Eric T. Dziekonski,J. Mitchell Wells,R. Graham Cooks
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:95 (46): 17082-17088 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.3c04016
摘要

Biothreat detection has continued to gain attention. Samples suspected to fall into any of the CDC's biothreat categories require identification by processes that require specialized expertise and facilities. Recent developments in analytical instrumentation and machine learning algorithms offer rapid and accurate classification of Gram-positive and Gram-negative bacterial species. This is achieved by analyzing the negative ions generated from bacterial cell extracts with a modified linear quadrupole ion-trap mass spectrometer fitted with two-dimensional tandem mass spectrometry capabilities (2D MS/MS). The 2D MS/MS data domain of a bacterial cell extract is recorded within five s using a five-scan average after sample preparation by a simple extraction. Bacteria were classified at the species level by their lipid profiles using the random forest, k-nearest neighbor, and multilayer perceptron machine learning models. 2D MS/MS data can also be treated as image data for use with image recognition algorithms such as convolutional neural networks. The classification accuracy of all models tested was greater than 99%. Adding to previously published work on the 2D MS/MS analysis of bacterial growth and the profiling of sporulating bacteria, this study demonstrates the utility and information-rich nature of 2D MS/MS in the identification of bacterial pathogens at the species level when coupled with machine learning.
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