物理學(xué)家開(kāi)發(fā)新的數(shù)學(xué)方法來(lái)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(duì)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(wèn)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(kāi)發(fā)了一種數(shù)學(xué)方法來(lái)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(duì)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(guó)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(shuō)：“尤其是在過(guò)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(zhǎng)壽、生育和發(fā)育?！拔覀儗?duì)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(shuō)?！拔覀兊墓ぷ鞅砻?，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(wú)菌宿主的壽命更長(zhǎng))，而研究人員對(duì)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(zhǎng)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(lái)獲得較長(zhǎng)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(duì)于每種細(xì)菌組合，拉丁頓測(cè)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(kāi)發(fā)新的數(shù)學(xué)方法。

卡爾森說(shuō)：“一個(gè)通常是出發(fā)點(diǎn)的模型是考慮細(xì)菌對(duì)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。“這項(xiàng)研究向我們表明，嚴(yán)格的配對(duì)模型無(wú)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(duì)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(shuō)，”瓊斯說(shuō)，“微生物群對(duì)宿主的影響不僅僅是其各部分的總和?！?

新開(kāi)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(wàn)種不同細(xì)菌的相互作用，這反過(guò)來(lái)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(jí)細(xì)菌。

卡爾森說(shuō)：“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(shuō)，感染是新的，并沒(méi)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(zhǎng)。

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

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