物理學(xué)家開發(fā)新的數(shù)學(xué)方法來分析腸道細(xì)菌之間的相互作用

腸道微生物群——生活在人類腸道中的微生物世界——引起了科學(xué)家和臨床醫(yī)生對其在健康中的關(guān)鍵作用的興趣。然而，分析哪些微生物影響我們的健康仍然是一個(gè)謎。

讓我們采取措施解決這個(gè)問題。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家埃里克瓊斯(Eric Jones)和讓卡爾森(Jean Carlson)開發(fā)了一種數(shù)學(xué)方法來分析和模擬果蠅腸道細(xì)菌之間的相互作用。這種方法可以導(dǎo)致對人類腸道微生物之間復(fù)雜相互作用的更復(fù)雜理解。

他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《國家科學(xué)院院刊》上。

卡爾森實(shí)驗(yàn)室(Carlson Laboratory)的研究生研究員瓊斯(Jones)說：“尤其是在過去20年左右的時(shí)間里，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)微生物群與你身體的其他部分、你的免疫系統(tǒng)和你的大腦相互作用。"許多疾病與腸道中的某些微生物成分有關(guān)."

人體腸道菌群不能完全分析。相反，由卡內(nèi)基科學(xué)研究所的生物學(xué)家威爾盧丁頓(Will Ludington)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，以果蠅為模型生物，梳理了特定腸道細(xì)菌的存在如何導(dǎo)致宿主生物的物理和行為影響。

Carlson，Jones，Ludington和他們的同事在他們的論文《微生物相互作用塑造宿主適應(yīng)性》中研究了在蒼蠅腸道中發(fā)現(xiàn)的五種核心細(xì)菌之間的相互作用，并計(jì)算了單個(gè)物種的存在是否會(huì)影響蒼蠅健康的各個(gè)方面。包括長壽、生育和發(fā)育。“我們對待細(xì)菌物種的經(jīng)典方法是在黑白分明的環(huán)境中充當(dāng)疾病的媒介——要么你擁有它，要么你不擁有它，”拉丁頓說。“我們的工作表明，微生物組并非如此。特定物種的影響取決于其他物種也存在的背景?！?

基于之前的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌的存在與否會(huì)影響生物體的壽命(無菌宿主的壽命更長)，而研究人員對這個(gè)項(xiàng)目的研究表明，情況更加微妙。例如，一些細(xì)菌的存在可能會(huì)增加宿主的生育能力，而其他細(xì)菌可能會(huì)延長壽命?！爱?dāng)我們檢查我們稱之為飛行健身的總量時(shí)——這是一個(gè)生存和創(chuàng)造后代的機(jī)會(huì)——我們發(fā)現(xiàn)，在與許多后代相比壽命較短和使用很少后代來獲得較長壽命之間存在權(quán)衡，”Latington解釋道?！斑@種權(quán)衡受到微生物相互作用的調(diào)節(jié)?！?

為了破譯這些相互作用，拉丁頓進(jìn)行了一項(xiàng)組合分析，并飼養(yǎng)了32批蒼蠅，每批蒼蠅居住著五種細(xì)菌的獨(dú)特組合。對于每種細(xì)菌組合，拉丁頓測量了蒼蠅的發(fā)育、繁殖力和壽命。相互作用的分析需要卡爾森和瓊斯開發(fā)新的數(shù)學(xué)方法。

卡爾森說：“一個(gè)通常是出發(fā)點(diǎn)的模型是考慮細(xì)菌對之間的相互作用?！彼难芯可钊胙芯苛藦?fù)雜系統(tǒng)的物理特性?！斑@項(xiàng)研究向我們表明，嚴(yán)格的配對模型無法捕捉到所有觀察到的飛行特征?！?

研究人員表示，這項(xiàng)研究表明，細(xì)菌種群之間的相互作用對宿主整體適應(yīng)性的重要性不亞于其存在——微生物區(qū)系的影響不能僅歸因于單個(gè)物種的存在?！皬哪撤N意義上說，”瓊斯說，“微生物群對宿主的影響不僅僅是其各部分的總和。”

新開發(fā)的模型可以擴(kuò)展到更好地理解人類微生物組中成千上萬種不同細(xì)菌的相互作用，這反過來可以揭示與微生物組相關(guān)疾病的許多關(guān)系，包括情緒障礙、神經(jīng)功能障礙、自身免疫性疾病和抗生素耐藥性超級細(xì)菌。

卡爾森說：“在許多情況下，感染是由我們一直擁有的細(xì)菌引起的，并由天然腸道細(xì)菌控制。她解釋說，感染是新的，并沒有那么多可怕的細(xì)菌，但其他細(xì)菌的數(shù)量發(fā)生了變化，導(dǎo)致感染細(xì)菌不受限制地生長。

“這真的是關(guān)于理解這些系統(tǒng)的人口動(dòng)態(tài)，”她說。

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