物理学家开发新的数学方法来分析肠道细菌之间的相互作用

肠道微生物群——生活在人类肠道中的微生物世界——引起了科学家和临床医生对其在健康中的关键作用的兴趣。然而，分析哪些微生物影响我们的健康仍然是一个谜。

让我们采取措施解决这个问题。加州大学圣巴巴拉分校的物理学家埃里克琼斯(Eric Jones)和让卡尔森(Jean Carlson)开发了一种数学方法来分析和模拟果蝇肠道细菌之间的相互作用。这种方法可以导致对人类肠道微生物之间复杂相互作用的更复杂理解。

他们的发现发表在《国家科学院院刊》上。

卡尔森实验室(Carlson Laboratory)的研究生研究员琼斯(Jones)说：“尤其是在过去20年左右的时间里，科学家发现微生物群与你身体的其他部分、你的免疫系统和你的大脑相互作用。"许多疾病与肠道中的某些微生物成分有关."

人体肠道菌群不能完全分析。相反，由卡内基科学研究所的生物学家威尔卢丁顿(Will Ludington)领导的研究小组，以果蝇为模型生物，梳理了特定肠道细菌的存在如何导致宿主生物的物理和行为影响。

Carlson，Jones，Ludington和他们的同事在他们的论文《微生物相互作用塑造宿主适应性》中研究了在苍蝇肠道中发现的五种核心细菌之间的相互作用，并计算了单个物种的存在是否会影响苍蝇健康的各个方面。包括长寿、生育和发育。“我们对待细菌物种的经典方法是在黑白分明的环境中充当疾病的媒介——要么你拥有它，要么你不拥有它，”拉丁顿说。“我们的工作表明，微生物组并非如此。特定物种的影响取决于其他物种也存在的背景。”

基于之前的研究发现，细菌的存在与否会影响生物体的寿命(无菌宿主的寿命更长)，而研究人员对这个项目的研究表明，情况更加微妙。例如，一些细菌的存在可能会增加宿主的生育能力，而其他细菌可能会延长寿命。“当我们检查我们称之为飞行健身的总量时——这是一个生存和创造后代的机会——我们发现，在与许多后代相比寿命较短和使用很少后代来获得较长寿命之间存在权衡，”Latington解释道。“这种权衡受到微生物相互作用的调节。”

为了破译这些相互作用，拉丁顿进行了一项组合分析，并饲养了32批苍蝇，每批苍蝇居住着五种细菌的独特组合。对于每种细菌组合，拉丁顿测量了苍蝇的发育、繁殖力和寿命。相互作用的分析需要卡尔森和琼斯开发新的数学方法。

卡尔森说：“一个通常是出发点的模型是考虑细菌对之间的相互作用。”他的研究深入研究了复杂系统的物理特性。“这项研究向我们表明，严格的配对模型无法捕捉到所有观察到的飞行特征。”

研究人员表示，这项研究表明，细菌种群之间的相互作用对宿主整体适应性的重要性不亚于其存在——微生物区系的影响不能仅归因于单个物种的存在。“从某种意义上说，”琼斯说，“微生物群对宿主的影响不仅仅是其各部分的总和。”

新开发的模型可以扩展到更好地理解人类微生物组中成千上万种不同细菌的相互作用，这反过来可以揭示与微生物组相关疾病的许多关系，包括情绪障碍、神经功能障碍、自身免疫性疾病和抗生素耐药性超级细菌。

卡尔森说：“在许多情况下，感染是由我们一直拥有的细菌引起的，并由天然肠道细菌控制。她解释说，感染是新的，并没有那么多可怕的细菌，但其他细菌的数量发生了变化，导致感染细菌不受限制地生长。

“这真的是关于理解这些系统的人口动态，”她说。