Классификация шиповидных белков коронавируса на основе спектроскопии комбинационного рассеяния света и глубокого машинного обучения и ее интерпретативный анализ

Разработан метод классификации спайковых белков коронавируса, основанный на глубоком машинном обучении и спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР). Набор КР-спектров спайковых белков пяти коронавирусов (MERS-CoV, SARS-CoV, SARS-CoV-2, HCoV-HKU1 и HCoVOC43) использован для создания нейросетевой модели классификации. Для полученных спектров с низким отношением сигнал/шум средняя точность >97%. Проанализированы результаты классификации нейронной сетью. Показано, что различия в спектральных характеристиках, полученные нейронной сетью, согласуются с экспериментальными результатами. Предлагаемый метод можно использовать для идентификации сложных КР-спектров, в клинической практике при выявлении COVID-19 и других коронавирусов, а также в промышленных областях, таких как разведка нефти и газа.

1. F. Cui, H. S. Zhou, Biosens. Bioelectron., 165, 112349 (2020).

2. J. Huang, J. Wen, M. Zhou, S. Ni, W. Le, G. Chen, L. Wei, Y. Zeng, D. Qi, M. Pan, Anal. Chem., 93, No. 26, 9174–9182 (2021).

3. M. Asif, M. Ajmal, G. Ashraf, N. Muhammad, A. Aziz, T. Iftikhar, J. Wang, H. Liu, Curr. Opin. Electrochem., 23, 174–184 (2020).

4. M. Shen, Y. Zhou, J. Ye, A. A. A. Al-Maskri, Y. Kang, S. Zeng, S. Cai, J. Pharm. Anal., 10, 97–101 (2020).

5. V. M. Corman, O. Landt, M. Kaiser, R. Molenkamp, A. Meijer, D. K. Chu, T. Bleicker, S. Brünink, J. Schneider, M. L. Schmidt, Eurosurveillance, 25, 2000045 (2020).

6. M. N. Esbin, O. N. Whitney, S. Chong, A. Maurer, X. Darzacq, R. Tjian, Rna, 26, 771–783 (2020).

7. J. Huggett, K. Dheda, S. Bustin, A. Zumla, Genes Immun., 6, 279–284 (2005).

8. M. L. Wong, J. F. Medrano, Biotechniques, 39, 75–85 (2005).

9. D. Jacofsky, E. M. Jacofsky, M. Jacofsky, J. Arthroplasty, 35, S74–S81 (2020).

10. Q. Lin, D. Wen, J. Wu, L. Liu, W. Wu, X. Fang, J. Kong, Anal. Chem., 92, 9454–9458 (2020).

11. G. Liu, J. F. Rusling, ACS Sens., 6, 593–612 (2021).

12. C.-S. Ho, N. Jean, C. A. Hogan, L. Blackmon, S. S. Jeffrey, M. Holodniy, N. Banaei, A. A. Saleh, S. Ermon, J. Dionne, Nat. Commun, 10, 1–8 (2019).

13. W. Lee, A. T. Lenferink, C. Otto, H. L. Offerhaus, J. Raman Spectrosc., 51, 293–300 (2020).

14. D. Wrapp, N. Wang, K. S. Corbett, J. A. Goldsmith, C.-L. Hsieh, O. Abiona, B. S. Graham, J. S. McLellan, Science, 367, 1260–1263 (2020).

15. Z. Li, A. C. Tomlinson, A. H. Wong, D. Zhou, M. Desforges, P. J. Talbot, S. Benlekbir, J. L. Rubinstein, J. M. Rini, eLife, 8, e51230 (2019).

16. S. Abdul-Rasool, B. C. Fielding, Open Virol. J., 4, 76 (2010).

17. J. R. St-Jean, H. Jacomy, M. Desforges, A. Vabret, F. Freymuth, P. J. Talbot, J. Virol., 78, 8824–8834 (2004).

18. P. C. Woo, S. K. Lau, C.-M. Chu, K.-H. Chan, H.-W. Tsoi, Y. Huang, B. H. Wong, R. W. Poon, J. J. Cai, W.-K. Luk, J. Virol., 79, 884–895 (2005).

19. C. Drosten, S. Günther, W. Preiser, S. Van Der Werf, H.-R. Brodt, S. Becker, H. Rabenau, M. Panning, L. Kolesnikova, R. A. Fouchier, N. Engl. J. Med., 348, 1967–1976 (2003).

20. R. J. De Groot, S. C. Baker, R. S. Baric, C. S. Brown, C. Drosten, L. Enjuanes, R. A. Fouchier, M. Galiano, A. E. Gorbalenya, Z. A. Memish, J. Virol., 87, 7790–7792 (2013).

21. S. Su, G. Wong, W. Shi, J. Liu, A. C. Lai, J. Zhou, W. Liu, Y. Bi, G. F. Gao, Trends Microbiol., 24, 490–502 (2016).

22. M. M. Kesheh, P. Hosseini, S. Soltani, M. Zandi, Rev. Med. Virol., e2282 (2021).

23. Y. LeCun, L. Bottou, Y. Bengio, P. Haffner, Proc. IEEE, 86, 2278–2324 (1998).

24. K. He, X. Zhang, S. Ren, J. Sun, Proc. IEEE Conf. Comput. Vision Pattern Recognit., 770–778 (2016).

25. D. X. Liu, J. Q. Liang, T. S. Fung, Encycl. Virol., 428 (2021).

26. A. B. Gussow, N. Auslander, G. Faure, Y. I. Wolf, F. Zhang, E. V. Koonin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 117, 15193–15199 (2020).

27. H. Yao, Y. Song, Y. Chen, N. Wu, J. Xu, C. Sun, J. Zhang, T. Weng, Z. Zhang, Z. Wu, Cell, 183, 730–738, e713 (2020).

28. C. Liu, Y. Yang, Y. Gao, C. Shen, B. Ju, C. Liu, X. Tang, J. Wei, X. Ma, W. Liu, bioRxiv (2020).

29. K. Simonyan, A. Vedaldi, A. Zisserman, arXiv preprint arXiv, 1312.6034 (2013).

30. C. Carlomagno, D. Bertazioli, A. Gualerzi, S. Picciolini, P. Banfi, A. Lax, E. Messina, J. Navarro, L. Bianchi, A. Caronni, Sci. Rep., 11, 1–13 (2021).

31. H. Jinglin, Z. Minjie, L. Wei, C. Guo, N. Shuang, N. Gao, L. Zeyu, Z. Zongqing, H. Zhibing, L. Bo, Qiangjiguang Yu Lizishu, 32, 069001-069002 (2020).

32. J. E. Sanchez, S. A. Jaramillo, E. Settles, J. J. V. Salazar, A. Lehr, J. Gonzalez, C. R. Aranda, H. R. Navarro-Contreras, M. O. Raniere, M. Harvey, RSC Adv., 11, 25788–25794 (2021).

33. G. Yin, L. Li, S. Lu, Y. Yin, Y. Su, Y. Zeng, M. Luo, M. Ma, H. Zhou, L. Orlandini, J. Raman Spectrosc., 52, 949–958 (2021).