数学可以帮助我们理解微生物组的复杂性吗

马里兰州巴尔的摩 - 生活在胃肠道系统中的微生物群落如何影响我们的健康?Carnegie的Will Ludington是一个帮助回答这个问题的团队的一员。

近一个世纪以来，进化生物学家探索了基因如何在特定环境中编码个体成功或健身的机会。

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，以确定哪种组合最适合。正在发展的有机体应走最适合的道路。这个概念被称为健身景观，并且已经开发了各种数学技术来描述它。

与基因组中的基因一样，肠道微生物组中的微生物相互作用，但是没有广泛接受的数学框架来映射这些相互作用的模式。现有的基因框架侧重于有关相互作用的本地信息，但并未将全局图片整合在一起。

“如果我们了解这些相互作用，我们可以预测这些真正复杂的系统如何在不同情况下发挥作用。但由于大量基因或物种，交互网络存在很多复杂性。这些增加了问题的维度并且让解决变得棘手，“拉丁顿说。

因此，拉丁顿开始与柏林技术大学的数学家Michael Joswig交谈。

“迈克尔原本认为是高维度的 - 超过四个。他立刻就能理解这个问题，”拉丁顿说。

Joswig和Ludington随后加入了与Joswig合作的研究生TU Berlin的Holger Eble和苏黎世联邦理工学院的Lisa Lamberti。Lamberti之前曾与Ludington合作，为微生物组数据的相互作用应用了略微不同的数学框架。在目前的工作中，团队扩展了之前的框架，通过将交互模式映射到景观上来产生更全局的图景。

“在人类中，肠道微生物组是一个生活在胃肠道内的数百到数千种微生物物种的生态系统，影响健康甚至长寿，”拉丁顿解释说。“随着对微生物组研究的兴趣不断增加，了解这种复杂性将为我们提供预测能力。”

但是人类微生物组中物种的多样性使得很难阐明这些群落如何影响我们的生理学。这就是果蝇制作如此优秀模型的原因。与人类微生物组不同，它仅由少数细菌组成。

“我们已经建立了一个严格的数学框架，描述了与宿主相关的微生物组的生态学。这种方法的独特之处在于它允许全球观察微生物组 - 宿主相互作用的景观，”Ludington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组与相似的健康结果相关联。”

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