Прогнозирование микробиомов для устойчивого развития и здоровья
Микробные сообщества (микробиомы) играют ключевую роль в защите здоровья человека и окружающей среды через самый распространенный биотехнологический процесс на планете — биологическую очистку сточных вод.
Однако этот процесс подвержен постоянным изменениям, его сложно поддерживать в долгосрочной перспективе, и он связан со значительными выбросами парниковых газов. Существует острая необходимость прогнозировать поведение его сложного микробиома для лучшего контроля и оптимизации процесса.
Исследователи из группы системной экологии Люксембургского центра системной биомедицины (LCSB) и их международные коллеги разработали новый подход к моделированию, который позволяет прогнозировать динамику и функции таких микробных сообществ на несколько лет вперед.
Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.
Проблема прогнозирования
Очистные сооружения — это сложные системы, которыми трудно управлять. Ключевая задача — точно предсказать динамику микробных сообществ, от которых зависит процесс очистки.
Методология исследования
Ученые использовали уникальный набор еженедельных образцов, собранных в течение полутора лет на очистных сооружениях в Шиффланже (Люксембург). Для каждого образца были получены высокодетальные молекулярные данные ("мета-омиксные") и информация об окружающей среде.
"Мета-омиксные данные содержат детальную информацию об abundance, активности и метаболизме широкого спектра микробов, как известных, так и неизвестных", — поясняет первый автор статьи д-р Франческо Делогу.
Моделирование и прогноз
С помощью математического и статистического моделирования исследователи сократили огромный массив данных до 17 фундаментальных сигналов. Эти сигналы представляют ключевые драйверы микробного сообщества и могут использоваться для прогнозирования его состава и активности на годы вперед.
Для анализа использовались передовые методики, включая инструмент прогнозирования Prophet (Meta/Facebook). Точность прогнозов была подтверждена на дополнительных образцах.
Значение и перспективы
- Для очистки сточных вод: Подход позволяет предсказывать потенциальные проблемы (например, вспенивание или появление патогенов) и принимать упреждающие меры, повышая устойчивость и эффективность процесса.
- Для других экосистем: Стратегия применима к другим микробиомам — кишечника человека или природных сред, сталкивающихся с нарушениями. Это важно для прогнозирования влияния глобальных изменений окружающей среды.
- Для биотехнологий: Результаты могут найти применение в производстве биоэнергии и экологическом восстановлении.
- Для здоровья человека: Такой же подход может использоваться для прогнозирования динамики микробиома человека в ответ на изменения в диете, прием лекарств или воздействие окружающей среды.
"Микробиомы, управляющие биологической очисткой сточных вод, больше не являются "черным ящиком", — отмечает соавтор исследования д-р Эмили Мюллер.
"Следующим важным шагом будет использование наших прогностических способностей для рационального управления микробиомами на очистных сооружениях и не только", — заключает старший автор статьи проф. Пол Уилмс.