数学能帮助我们理解微生物组的复杂性吗？

马里兰州巴尔的摩——生活在胃肠系统中的微生物群落如何影响我们的健康？卡内基学院的威尔鲁丁顿是帮助回答这个问题的团队成员之一。

近一个世纪以来，进化生物学家一直在探索基因如何编码一个人在特定环境中成功或适应的机会。

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，以确定哪种组合最合适。进化生物应该选择最合适的路径。这个概念被称为适应度景观，各种数学技术被开发出来描述它。

像基因组中的基因一样，肠道微生物组中的微生物相互作用，但没有被广泛接受的数学框架来绘制这些相互作用模式。现有的遗传框架侧重于关于相互作用的局部信息，但没有整合全球图景。

“如果我们理解了这些相互作用，我们就可以预测这些真正复杂的系统在不同情况下将如何运行。然而，由于基因或物种的数量巨大，交互网络中存在许多复杂性。这些增加了问题的规模，使其难以解决，”拉丁顿说。

因此，拉丁顿开始与柏林工业大学的数学家迈克尔乔斯威格交谈。“迈克尔最初认为它是高维度的——超过四个。他马上就能理解这个问题，”拉丁顿说。

乔斯威格和卢丁顿随后加入了柏林工业大学的霍尔格埃布尔和苏黎世联邦理工学院的丽莎兰伯特，他们是与乔斯威格合作的研究生。Lamberti之前曾与Ludington合作，为微生物组数据的相互作用应用了一个略有不同的数学框架。在目前的工作中，该团队扩展了以前的框架，通过将交互模式映射到景观，产生了一个更加全球化的画面。

“在人类中，肠道微生物群是一个由数百到数千种生活在胃肠道中的微生物组成的生态系统，它影响健康甚至寿命，”拉丁顿解释道。“随着对微生物组研究兴趣的增加，理解这种复杂性将为我们提供预测的能力。”

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。这也是果蝇做出如此优秀模型的原因。与人类微生物组不同，它只由少数细菌组成。

“我们建立了一个严格的数学框架来描述与宿主相关的微生物组的生态。这种方法是独特的，因为它允许对微生物群-宿主相互作用的景观进行全球观察，”Ludington说。“我们现在可以使用这种方法来比较不同的景观，这将使我们问为什么不同的微生物群与类似的健康结果相关联。”

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