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解碼龐大的腸道微生物組

對于幾百萬年來與我們一起進化的東西,并且在我們的整個生命中仍是我們生理學的一部分,我們的腸道微生物組奇怪地仍然是個謎。由我們胃腸道中的細菌,病毒,原生動物和真菌組成的這個社區由至少一千個不同物種的數萬億種微生物組成,這對于每個人來說都是獨特的,并且發現它們與我們健身的各個基本方面有著密切的聯系對我們的新陳代謝和心理健康具有免疫力。

對于加州大學圣塔芭芭拉分校的研究人員Eric Jones,Zipeng Wang和Joshua Mueller來說,腸道微生物組是一種了不起的機器,充滿了直接影響我們健康的相互作用和競爭。他們說,將機器調整到有利的方向可以提高我們的抗病能力。

瓊斯說:“醫學療法是否可以通過改變微生物組的組成來改善宿主的健康狀況?我們仍然不知道,因此這是一個巨大的研究領域。”“這個問題是一個偉大的動機。”

在我們的日常生活中,我們許多人希望通過服用益生菌和食用發酵食品來改善腸道微生物組。在臨床情況下,糞便移植已被證明能成功治療腸道細菌艱難梭菌的反復感染,而艱難梭菌通常會在用于治療感染的抗生素消滅“有益的”腸道細菌后復發。

但是,除了采取廣泛而英勇的措施以將大量有益細菌添加到胃腸道之外,還沒有人知道如何將系統巧妙地指向健康方向。

瓊斯說:“這不僅僅是將正確的微生物放入體內。”“您需要了解微生物所處的環境,并且需要了解促進穩定的腸道微生物組組成的因素。”

為了解決這個問題,研究人員在加州大學圣塔芭芭拉分校物理學教授讓·卡爾森(Jean Carlson)的指導下,提出了一種通過操縱模型的某些參數將數學腸道微生物組模型推向目標微生物組組成的技術。這種方法稱為SPARC(SSR指導的參數更改),在不犧牲系統的情況下降低了系統的復雜性。并且,根據發表在《物理評論E》上的一項研究,它“也提供了關于如何操縱環境因素和物種與物種之間的相互作用來控制生態結果的系統理解”。

舊方程式,新用途

主要作者Zipeng Wang說:“因此,基本上,目標是找到與微生物組環境變化相對應的參數變化。”它有助于將腸道微生物組設想為一個球,棲??息在山頂上,準備沿一個方向或另一個方向滾動。在這種理想化中,腸道環境決定了山丘的形狀。健康的微生物組組成位于山的一側,另一側是與疾病相關的組成。研究人員稱,雖然糞便移植將球直接推向山丘的健康一側,但SPARC可以控制山丘的形狀,有效地將球從一側或另一側向下滾動。

為了描述這種腸道生態系統(數據是從紐約紀念斯隆-凱特琳中心的小鼠模型實驗中收集的),研究人員使用了廣義的Lotka-Volterra(gLV)方程。gLV方程也稱為捕食者-獵物方程,它源于傳統生態學中使用的百年歷史方法來描述地球上物種之間的相互作用(例如競爭和捕食)以及間接相互作用的影響。

Wang說:“但是,困難之一是腸道微生物組具有所有這些不同的細菌種類,因此Lotka-Volterra方程變得非常高維,這意味著有很多參數,而且很多細菌相互作用的不同方式。我們很難找到合適的參數來實現所需的微生物組組成。”

為了避免操縱大量不同參數的反復試驗,研究小組選擇檢查由降維技術(稱為“穩態減少”(SSR))生成的生態模型的壓縮但可靠的2D表示。根據研究人員的說法,這使他們能夠縮小并確定控制山丘形狀的關鍵參數。

瓊斯解釋說:“我們希望我們的模型能夠為我們提供一種系統的策略,以識別出那些真正敏感的,最重要的低維特征。”“令我感到非常驚訝和高興的是,例如,我們可以找到一個參數并將其值更改為其值的10%,這將改變山丘的形狀。”

那是什么參數?好吧,考慮到腸道微生物群,飲食,共同存在的條件和環境影響的多樣性,不一定有一種通用的參數變化(例如酸度或纖維含量)能適應所有情況。研究人員說,SPARC方法指導人們思考如何基于數據識別重要參數。

此外,SPARC當前主要是一種數學練習,盡管研究人員渴望在實驗環境中進行嘗試。

約書亞·穆勒說:“有人在研究所謂的單芯片腸道系統,就像復制人類腸道微生物組某些條件的微型培養皿一樣。”“在這些嚴格控制的實驗環境中驗證SPARC真的很令人興奮。”

瓊斯說,在更遙遠的未來,這種方法還可以為個性化微生物組管理鋪平道路,在這種管理中,實時讀取微生物群狀態的信息(例如,從智能馬桶中讀取)可以告訴我們改變我們的飲食習慣可以避免疾病和改善我們的總體健康狀況。

他說:“為了達到這一點,我們需要微生物組的機械模型。”“我們需要了解如何控制它。我們需要了解環境反饋如何影響微生物動力學。”

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