Математические модели показывают структуру микробного сообщества кишечника человека

Микробные сообщества, такие как кишечный микробиом человека, представляют собой динамичные экосистемы, на которые влияют различные факторы. Исследование под руководством профессора Сергея Маслова из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне изучило, как конкуренция за питательные вещества и другие факторы формируют эти сообщества.

В исследовании, опубликованном в PLOS Computational Biology, использовались математические модели для предсказания метаболитов, производимых микробными видами в кишечнике. Модель подтвердила четырехуровневую трофическую организацию микробиома, где микробы потребляют питательные вещества, выделяемые другими микробами, подобно пищевым цепям в макроэкосистемах. Бактерии в конце кишечника формируют самый низкий трофический уровень.

"У каждого из нас в кишечнике более 100 видов — это настоящий тропический лес. Наша цель — предсказать метаболический профиль, просто зная виды", — объяснил Маслов.

В другом исследовании в eLife (DOI: 10.7554/eLife.49720) моделирование помогло предсказать резкие переходы (режимные сдвиги) в сообществе и количество питательных веществ, необходимое для каждой стабильной композиции. Работа в mSystems (10.1128/mSystems.00470-19) показала, что бактериофаги также могут вызывать такие сдвиги, что открывает возможности для фаговой терапии.

Будущие исследования будут использовать машинное обучение и большие наборы данных для управления микробными сообществами, что важно не только для здоровья кишечника, но и для почвы, биореакторов и климатических циклов.