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数学能帮助我们理解微生物组的复杂性吗

2021-08-30 08:03:40

生活在胃肠系统的微生物群落如何影响我们的健康?卡内基的威尔卢丁顿是帮助回答这个问题的团队成员之一。

在过去的一个世纪里,进化生物学家探索了基因如何编码个体在特定环境中成功或健康的机会。

为了揭示潜在的进化轨迹,生物学家测量基因之间的相互作用,以确定哪种组合最合适。进化的有机体应该走最合适的道路。这个概念被称为健身景观,各种数学技术被开发出来描述它。

与基因组中的基因一样,肠道微生物区系中的微生物也相互作用,但目前还没有广泛接受的数学框架来绘制这些相互作用模式。现有的遗传框架侧重于关于相互作用的局部信息,但没有整合全局图像。

“如果我们理解了这些相互作用,我们就可以预测这些真正复杂的系统将如何在不同的情况下工作。然而,由于大量的基因或物种,交互网络存在许多复杂性。这些增加了问题的维度,使其难以解决,”拉丁顿说。

因此,拉丁顿开始与柏林技术大学的数学家迈克尔乔斯威格交谈。

“迈克尔认为它是高维的——超过四个。他可以立即理解这个问题,”拉丁顿说。

乔斯威格和卢丁顿加入了柏林工会的霍尔格艾布尔和苏黎世联邦理工学院的丽莎兰伯蒂。此前,朗伯曾与卢丁顿合作,为微生物组数据的相互作用应用了一个略有不同的数学框架。在当前的工作中,团队扩展了以前的框架,通过将交互模式映射到风景来生成更全局的图片。

拉丁顿解释说:“在人类中,肠道微生物群是一个由生活在胃肠道中的数百至数千个微生物物种组成的生态系统,它会影响健康甚至寿命。“随着对微生物组研究兴趣的增加,理解这种复杂性将为我们提供预测能力。”

但是人类微生物群中物种的多样性使得很难阐明这些群落是如何影响我们的生理的。这就是果蝇做出如此优秀模型的原因。与人类微生物群不同,它仅由少数细菌组成。

“我们建立了一个严格的数学框架来描述与宿主相关的微生物群落的生态。这种方法的独特之处在于,它允许对微生物群-宿主相互作用的景观进行全球观察,”卢丁顿说。“我们现在可以使用这种方法来比较不同的景观,这将让我们问为什么不同的微生物群与相似的健康结果相关联。”

作者指出,这个框架也适用于传统的遗传相互作用。他们的工作发表在《数学生物学杂志》上。

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