推斷微生物相互作用的新框架

推斷微生物群落的潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對于理解它們的結(jié)構(gòu)和對外部刺激的反應(yīng)非常重要。但是，做出準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)推斷可能非常具有挑戰(zhàn)性。在Nature Communications上發(fā)表的一篇論文中，布里格姆婦女醫(yī)院的研究人員詳細(xì)介紹了一種通過利用穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)而不改變微生物群落來簡化網(wǎng)絡(luò)推理的方法。

“現(xiàn)有方法需要假設(shè)特定的人口動態(tài)模型，這是事先不知道的，”網(wǎng)絡(luò)醫(yī)學(xué)中心分部的Yang-Yu Liu博士說。“此外，這些方法需要擬合時間豐度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常不足以提供可靠的推理信息。”

為了獲得更多信息豐富的時態(tài)數(shù)據(jù)，研究人員必須引入大的擾動來改變微生物群落，這不僅在實(shí)踐中很困難，而且在道德上可能存在問題，特別是對于人類相關(guān)的微生物群落。BWH研究人員開發(fā)的新方法避免了這種困境。

“基本思路非常簡單。如果一個穩(wěn)態(tài)樣本與另一個只有一個物種X相加，加上X會降低Y的絕對豐度，那么我們可以得出結(jié)論X抑制了Y的生長，”劉說。。該團(tuán)隊(duì)表明，這個簡單的想法可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的情況，其中穩(wěn)態(tài)樣本由不止一個物種彼此不同。他們證實(shí)，如果從微生物群落中收集到足夠的獨(dú)立穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，那么微生物相互作用類型(正，負(fù)和中性相互作用)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在不需要任何種群動態(tài)建模的情況下推斷。該團(tuán)隊(duì)提出的方法類似于基于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的其他網(wǎng)絡(luò)重建方法，但與以前的方法不同，不需要將擾動應(yīng)用于系統(tǒng)。此外，團(tuán)隊(duì)建立了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，以檢查任何給定的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)是否與廣義Lotka-Volterra(GLV)模型一致 - 生態(tài)學(xué)中的經(jīng)典種群動力學(xué)模型，數(shù)學(xué)上描述了物種之間的關(guān)系。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果微生物群落遵循GLV模型，那么穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)也可用于推斷模型參數(shù) - 種間相互作用強(qiáng)度和生長速率。

使用從具有不同復(fù)雜程度的不同經(jīng)典種群動態(tài)模型生成的模擬數(shù)據(jù)系統(tǒng)地驗(yàn)證該方法。然后將其應(yīng)用于從四個不同的合成微生物群落收集的真實(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)推斷的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要么與地面實(shí)況一致，要么可以預(yù)測系統(tǒng)對擾動的響應(yīng)。

通過更好地了解其潛在的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，可以獲得對微生物生態(tài)系統(tǒng)的更多見解。使用這里開發(fā)的方法推斷人類相關(guān)微生物群落的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)將有助于設(shè)計(jì)個性化的基于微生物的“雞尾酒”，正如作者所寫，用于治療與微生物生態(tài)失調(diào)有關(guān)的疾病。

“我對這種方法感到非常興奮，因?yàn)樗赡転槔L制更復(fù)雜的微生物群落鋪平了道路，例如人體腸道微生物群，這反過來將幫助我們設(shè)計(jì)出更好的基于微生物組的療法，”劉說。

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