數學可以幫助我們理解微生物組的複雜性嗎？

生活在胃腸道系統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，進化生物學家探索了基因如何在特定環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，生物學家測量基因之間的相互作用，以確定哪種組合最適合。正在進化的有機體應採取最合適的路徑。這個概念被稱為健身景觀，並且已經開發了各種數學技術來描述它。

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學框架來映射這些相互作用的模式。現有的基因框架側重於有關相互作用的本地信息，但並未將全局圖片整合在一起。

「如果我們理解這些相互作用，我們可以預測這些真正複雜的系統如何在不同情況下發揮作用。但由於基因或物種數量眾多，交互網路存在很多複雜性。這些增加了問題的維度並且讓解決變得棘手，「拉丁頓說。

因此，拉丁頓開始與柏林技術大學的數學家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隨後加入了與Joswig合作的研究生TU Berlin的Holger Eble和蘇黎世聯邦理工學院的Lisa Lamberti。 Lamberti之前曾與Ludington合作，為微生物組數據的相互作用應用了略微不同的數學框架。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的數百到數千種微生物物種的生態系統，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，了解這種複雜性將為我們提供預測能力。」

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。這就是果蠅製作如此優秀模型的原因。與人類微生物組不同，它僅由少數細菌組成。

「我們已經建立了一個嚴格的數學框架，描述了與宿主相關的微生物組的生態學。這種方法的獨特之處在於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，這將讓我們問為什麼不同的微生物組與相似的健康結果相關聯。」

作者指出，該框架同樣適用於傳統的遺傳相互作用。他們的工作發表在「數學生物學雜誌」上。

故事來源：

物料 由…提供 卡內基科學研究所。注意：可以根據樣式和長度編輯內容。