数学模型提供了人类肠道微生物群落的快照

到处都可以找到微生物群落-从湖泊到地面上的土壤，它们无处不在，但肉眼却看不见。在这些环境中，存在动态的社区，这些社区会随着环境变化而波动。人类肠道微生物组就是这样一个例子，它由影响肠道整体景观的微生物组成。

通过对人类肠道微生物组的多年研究，微生物物种组成影响肠道健康和疾病的观点变得更加明显。这个想法是伊利诺伊大学香槟分校卡尔·R·威斯大学基因组生物学研究所的生物工程学教授和极乐学院教授谢尔盖·马斯洛夫的动机，他带领研究了微观生态系统的组织方式和多样性。营养成分的生存能力，营养成分的竞争以及噬菌体天敌等环境因素可以影响这些微生物群落。这项研究是由物理学的博士研究生Tong Wang和生物工程的Veronika Dubinkina以及麻省理工学院的博士后研究员Akshit Goyal共同领导的，这些研究成果都是《PLOS计算生物学》中报道的发现的合著者。

马斯洛夫解释说：“我们每个人的肠道中都有100多种物种，因此那里是真正的雨林。”“更具挑战性的是量化它们正在消耗和产生的代谢产物的种类。仅根据物种来预测代谢状况将是巨大的进步，这是我们的圣杯。”

在一项原理验证研究中，研究人员利用数学模型预测了肠道内微生物物种产生的代谢产物。该模型为人类肠道微生物组中的四级营养组织提供了支持，其中类似于宏观营养网，微生物正在消耗其他微生物分泌的营养。他们的发现还表明，物种组成沿肠道系统变化，靠近肠道末端的细菌形成最低营养水平。

他说：“微生物的排泄物可以被其他人食用，因此您可以拥有一个生态系统，就像热带草原上的营养网一样，那里有草，羚羊和狮子。”“我们拥有这个网站的结构，我们想问一问，仅了解没有任何参数的网络，我们可以预测多少。”

在一项类似的eLife研究中(doi：10.7554 / eLife.49720)，研究人员利用数学模型检查了导致这些微生物群落内部发生制度转变或突变，持续转变的因素，并最终影响了单个物种的生存。在对一个社区中所有可能的稳定组成进行建模之后，他们可以预测每个稳定组成所必需的营养物质的数量，以及类似的触发机制转变的因素。在mSystems(10.1128 / mSystems.00470-19)中进行的另一项研究将噬菌体作为另一种外部因素，可以诱导这些社区内的政权转移。

他解释说：“如果您使用我们在模型中模拟的这种状态转移，您可以引入带有其良性宿主的噬菌体，但它将在此处保持噬菌体的存在，并将抑制或完全消除环境中的有害物种。”“这可能是实施噬菌体疗法的一种方式。”

未来的工作将集中于采用机器学习技术并利用更大的数据集来评估缺失的参数，其最终目标是能够控制微生物群落。

他说：“微生物生态系统绝对无处不在，不仅是肠道，还包括土壤，生物反应器以及影响气候的所有生物地球化学循环，这些都对微生物群落做出了重大贡献。”“能够以一种健壮和可预测的方式操纵它们非常重要。”

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