动态建模有助于预测肠道微生物的行为
人体肠道中充满了微生物，每一种微生物都在一个令人难以置信的正负交换网络中相互作用。一些细菌会产生作为其他微生物食物的物质，而另一些则会产生毒素——抗生素——杀死它们的邻居。
科学家们一直面临着挑战，试图了解这种被称为微生物组的肠道微生物是如何形成的，它是如何随着时间而变化的，以及它是如何受到用于治疗疾病的抗生素等干扰的影响。来自威斯康辛大学麦迪逊分校的生物化学教授Ophelia Venturelli和她在加州大学伯克利分校的合作者的一项新研究可能有助于缓解这一困难。
这项研究发表在6月21日的《分子系统生物学》杂志上，为预测肠道微生物群落如何工作提供了一个平台，并代表了理解如何操纵肠道生态系统特性的第一步。bet188真人例如，这可以让科学家设计出一种能在肠道中持续存在的益生菌，或者量身定制一种饮食，以对人类健康产生积极影响。
“我们对肠道微生物群的生态相互作用知之甚少，”文图雷利说。“许多研究都集中在对所有存在的微生物进行编目，这是非常有用的，但我们想试着了解它们组成群落的规则，如何实现稳定性，以及它们如何对扰动做出反应。”bet188真人
研究人员说，通过学习这些规则，他们可以更好地预测微生物之间的相互作用，使用计算工具，而不是进行费时费力的实验室实验。
这些数据也可以开始回答关于病原体入侵社区时如何造成破坏以及如何预防的问题。bet188真人
在这项研究中，研究人员选择了存在于人类肠道中的12种细菌。它们代表了肠道微生物群的多样性，大多数已被证明对人体健康有显著影响。它们与糖尿病、肠易激综合征、克罗恩病和结肠癌等疾病有关。
研究小组收集了所谓的成对相互作用的数据，这意味着每种细菌只与另一种细菌配对，以研究两者如何相互作用，而不用担心所有其他细菌都在做什么。这是为12个成员的社区中的每一个可能的配对所做的。
研究人员将成对相互作用的数据以及每个物种的数据输入一个动态模型，以破译所有细菌在结合时可能会如何相互作用。他们发现，仅凭配对数据就足以预测更大的社区如何聚集。
Venturelli解释说:“这个模型使我们能够用更少的测量来更好地理解和预测肠道微生物群。”“我们不需要测量每一个可能的群落，比如一组物种中的三、四或五种。我们只需要测量所有的配对，这仍然代表着一个非常大的数字，以便能够预测整个肠道的动态。”
虽然这仍然是一个挑战，但Venturelli说，这将大大减少科学家需要进行的测量数量。
研究人员还通过测量微生物产生的代谢物来研究哪些物种似乎是群落中最重要的。令他们惊讶的是，“代谢物数据无法预测群落中重要物种的作用，”文图雷利说。
然后，她和研究团队通过试图估计12种选择的细菌不同组合的特征来测试模型的预测能力。虽然不完美，但该模型在预测动态行为方面做得很好。
此外，研究小组发现，群落中微生物之间的积极相互作用比他们根据其他研究所显示的大多是消极相互作用所预期的要多。
文图雷利说:“我们发现，积极和消极的互动之间存在一种平衡，而消极的互动在某种程度上为社区提供了一种稳定的力量。”“我们开始了解肠道微生物稳定性的设计原则，以及是什么允许一个群落从扰动中恢复。”
该模型使科学家现在可以开始对数千个微生物群落的组成和动态提出问题。bet188真人
她说:“如果没有模型，我们基本上只是盲目地测试一些东西，而不知道我们在做什么，以及当我们试图设计干预时，会产生什么后果。”“拥有模型是能够以一种有益于人类健康的方式操纵肠道生态系统的第一步。”
本文已从材料所提供的威斯康星大学麦迪逊分校．注:材料的长度和内容可能经过编辑。如需进一步信息，请联系所引用的来源。
参考
破译合成人类肠道微生物群落中的微生物相互作用。bet188真人Ophelia S Venturelli, Alex C Carr, Garth Fisher, Ryan H Hsu, Rebecca Lau, Benjamin P Bowen, Susan Hromada, Trent Northen, Adam P Arkin。分子系统生物学(2018)14,e8157, DOI 10.15252/msb.20178157。
