數(shù)學(xué)可以幫助我們理解微生物組的復(fù)雜性嗎

馬里蘭州巴爾的摩 - 生活在胃腸道系統(tǒng)中的微生物群落如何影響我們的健康?Carnegie的Will Ludington是一個幫助回答這個問題的團隊的一員。

近一個世紀以來，進化生物學(xué)家探索了基因如何在特定環(huán)境中編碼個體成功或健身的機會。

為了揭示潛在的進化軌跡，生物學(xué)家測量基因之間的相互作用，以確定哪種組合最適合。正在發(fā)展的有機體應(yīng)走最適合的道路。這個概念被稱為健身景觀，并且已經(jīng)開發(fā)了各種數(shù)學(xué)技術(shù)來描述它。

與基因組中的基因一樣，腸道微生物組中的微生物相互作用，但是沒有廣泛接受的數(shù)學(xué)框架來映射這些相互作用的模式?，F(xiàn)有的基因框架側(cè)重于有關(guān)相互作用的本地信息，但并未將全局圖片整合在一起。

“如果我們了解這些相互作用，我們可以預(yù)測這些真正復(fù)雜的系統(tǒng)如何在不同情況下發(fā)揮作用。但由于大量基因或物種，交互網(wǎng)絡(luò)存在很多復(fù)雜性。這些增加了問題的維度并且讓解決變得棘手，“拉丁頓說。

因此，拉丁頓開始與柏林技術(shù)大學(xué)的數(shù)學(xué)家Michael Joswig交談。

“邁克爾原本認為是高維度的 - 超過四個。他立刻就能理解這個問題，”拉丁頓說。

Joswig和Ludington隨后加入了與Joswig合作的研究生TU Berlin的Holger Eble和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Lisa Lamberti。Lamberti之前曾與Ludington合作，為微生物組數(shù)據(jù)的相互作用應(yīng)用了略微不同的數(shù)學(xué)框架。在目前的工作中，團隊擴展了之前的框架，通過將交互模式映射到景觀上來產(chǎn)生更全局的圖景。

“在人類中，腸道微生物組是一個生活在胃腸道內(nèi)的數(shù)百到數(shù)千種微生物物種的生態(tài)系統(tǒng)，影響健康甚至長壽，”拉丁頓解釋說。“隨著對微生物組研究的興趣不斷增加，了解這種復(fù)雜性將為我們提供預(yù)測能力。”

但是人類微生物組中物種的多樣性使得很難闡明這些群落如何影響我們的生理學(xué)。這就是果蠅制作如此優(yōu)秀模型的原因。與人類微生物組不同，它僅由少數(shù)細菌組成。

“我們已經(jīng)建立了一個嚴格的數(shù)學(xué)框架，描述了與宿主相關(guān)的微生物組的生態(tài)學(xué)。這種方法的獨特之處在于它允許全球觀察微生物組 - 宿主相互作用的景觀，”Ludington說。“我們現(xiàn)在可以使用這種方法來比較不同的景觀，這將讓我們問為什么不同的微生物組與相似的健康結(jié)果相關(guān)聯(lián)。”

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