Команда ученых предлагает стохастическую модель для объяснения состава микробиома

Все живые существа — от простейших животных и растений до человеческого тела — существуют в тесной связи с огромным количеством микробных симбионтов, колонизирующих их ткани. Функциональное сотрудничество хозяина и микроорганизмов, которое ученые называют метаорганизмом, лишь недавно стало в фокусе исследований. Сегодня известно, что многие процессы жизни можно понять только с учетом взаимодействий организма и симбионтов.

Ключевой вопрос для исследователей — как формируется состав микробиома организма в ходе его индивидуального развития. Неясно, определяется ли состав микробного сообщества в большей степени функциональным отбором или случайными процессами.

Нулевая модель эволюционной теории

Чтобы изучить состав микробиома, исследовательская группа применила теорию так называемого «нейтрального метаорганизма» к спектру модельных организмов — от простейших существ до сложных позвоночных. Основой послужила нейтральная нулевая модель эволюционной теории, которая предсказывает развитие популяций без какого-либо давления отбора.

Ученые применили эту модель к нескольким модельным организмам (от нематод до домовых мышей) и сравнили предсказания с экспериментальными данными. «Теория и экспериментальные данные удивительно хорошо совпадают для многих организмов. Предсказанный состав, например, у домовой мыши, обнаруживается в реальном сообществе микробных видов», — резюмировал доктор Майкл Зибер.

Это может означать, что отбор играет меньшую роль в формировании микробиома, чем предполагалось. Микробиом при этом не теряет важных функций — возможно, многие разные составы микробиома могут выполнять эти функции одинаково хорошо. Конкретный состав в отдельном организме тогда определяется случайностью.

Карта для дальнейшего изучения микробиома

Исследователи также заметили значимые отклонения нейтральной модели от реальных данных:

• Отдельные бактериальные виды в микробиоме мыши не соответствовали нейтральному предсказанию.
• Состав микробных видов нематоды Caenorhabditis elegans вообще не соответствовал нейтральной модели.

«Мы предполагаем, что эти отклонения могут указывать на специфические функции определенных микроорганизмов», — подчеркнул Зибер. Изучение систематических отклонений от модели имеет потенциал для обнаружения ключевых функций конкретных бактерий в микробиоме.

Первые объяснения отклонений уже обсуждаются:

• Некоторые ненейтральные бактерии в микробиоме мыши участвуют в пищеварении, и их присутствие может быть результатом целенаправленного отбора.
• Caenorhabditis elegans с очень быстрой сменой поколений, возможно, не живет достаточно долго для формирования стабильного, в основном нейтрального состава микробиома.

«Модель нейтрального метаорганизма обеспечивает важную теоретическую основу для дальнейшего функционального анализа состава микробиомов у всего спектра модельных организмов», — сказал профессор Томас Бош.