Die Modellierung der mikrobiom: Physiker entwickeln neue mathematische Ansätze zu analysieren, die Wechselwirkungen zwischen Darmbakterien
Der Darm-mikrobiom-die Welt der Mikroben, die bewohnen den menschlichen Darm-Trakt — erfasst hat das Interesse der Wissenschaftler und Kliniker für seine kritische Rolle in der Gesundheit. Jedoch analysieren, welche dieser Mikroben sind verantwortlich für die Auswirkungen auf unser Wohlbefinden ist, bleibt ein Rätsel.
Unter uns einen Schritt näher an die Lösung dieses Rätsels, UC Santa Barbara Physiker Eric Jones und Jean Carlson entwickelt haben, eine mathematische Herangehensweise analysieren und modellieren Interaktionen zwischen Darmbakterien in Fruchtfliegen. Dieses Verfahren könnte auch führen zu einem komplexeren Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen menschlichen Darm Mikroben.
Ihre Ergebnisse erscheinen in den Verfahren der National Academy of Sciences.
„Vor allem in den letzten 20 Jahren oder so, haben Wissenschaftler festgestellt, dass das mikrobiom Interaktion mit dem rest des Körpers, mit Ihrem Immunsystem, mit Ihrem Gehirn“, sagte Jones, ein graduate student researcher in Carlson ‚ s lab. „Viele Krankheiten sind im Zusammenhang mit bestimmten mikrobiellen Zusammensetzung in den Darm.“
Der menschliche Darm mikrobiom-noch ist zu vielfältig, um vollständig zu analysieren. Stattdessen wird das Forscherteam von der Carnegie Institution for Science Biologe Wird Ludington, verwendet die Taufliege als Modell-Organismus aneignet, wie das Vorhandensein von bestimmten Darmbakterien, könnte dazu führen, körperliche und Verhaltens-Effekte im Wirtsorganismus.
In Ihrem Papier, „Mikrobiom-Interaktionen Form-host-fitness,“ Carlson, Jones, Ludington und Kollegen untersuchen die Wechselwirkungen zwischen den fünf wichtigsten Arten von Bakterien gefunden, die in der fliege gut ist, und berechnen, wie das Vorhandensein oder fehlen einzelner Arten beeinflusst Aspekte des Fliegen-fitness, einschließlich Lebensdauer, Fruchtbarkeit und Entwicklung. „Der klassische Weg, wir denken über Bakterien-Spezies ist in einem schwarz-weißen Kontext als Agenten der Krankheit-entweder Sie haben es oder Sie wissen es nicht“, Ludington, sagte. „Unsere Arbeit zeigt, dass nicht der Fall für das mikrobiom. Die Auswirkungen einer bestimmten Art hängt vom Kontext ab, von denen andere Arten sind auch vorhanden.“
Aufbauend auf der bisherigen Forschung gefunden, dass das Vorhandensein versus das fehlen von Bakterien betroffen, die Langlebigkeit eines Organismus (steril hosts länger gelebt), die Forscher, die Arbeit an diesem Projekt zeigte, dass die situation weitaus differenzierter dar. Zum Beispiel, das Vorhandensein bestimmter Bakterien erhöhen die Gastgeber die Fruchtbarkeit, während andere möglicherweise verringern die Lebenserwartung. „So untersuchten wir die Summe dessen, was wir als eine fliege-fitness-es ist Chancen zu überleben und die Schaffung von Nachwuchs-wir fanden, es war ein Kompromiss zwischen haben eine kurze Lebensdauer mit vielen Nachkommen, gegen die eine lange Lebensdauer mit wenigen Nachkommen,“ Ludington erklärt. „Dieser Kompromiss wurde vermittelt durch die mikrobiom-Interaktion.“
Zum entschlüsseln diese Interaktionen, Ludington durchgeführt kombinatorischen assay, Aufzucht 32 Chargen von Fliegen jede bewohnt von einer einzigartigen Kombination aus den fünf Bakterien. Für jede bakterielle Kombination, Ludington gemessen der fliege Entwicklung, Fruchtbarkeit und Langlebigkeit. Die Analyse der Interaktionen erforderlich Carlson und Jones zu entwickeln, neue mathematische Ansätze.
„Ein Modell, das oft ein Ausgangspunkt sein, wäre zu überlegen, die Wechselwirkungen zwischen Paaren von Bakterien,“, sagte Carlson, deren Forschung sich mit der Physik komplexer Systeme. „Diese Forschung zeigt uns, dass ein streng paarweise-Modell erfasst nicht alle beobachteten Fliegen Züge.“
Was die Studie zeigt, so die Forscher, ist, dass die Interaktionen zwischen den bakteriellen Bevölkerungen sind von Bedeutung, um die host der Allgemeinen fitness, wie Ihre Gegenwart-das mikrobiom-Einfluss ist nicht allein zurückzuführen auf das Vorhandensein oder fehlen der einzelnen Arten. „In einem gewissen Sinn,“ sagte Jones, „mikrobiom-Einfluss auf den host ist mehr als die Summe seiner Teile.“
Die neu entwickelten Modelle können erweitert werden, um besser zu verstehen, die Interaktionen von tausenden verschiedenen Arten von Bakterien im menschlichen mikrobiom, das könnte wiederum ein Licht auf die vielen verbindungen zu mikrobiom-verbundenen Krankheiten, einschließlich affektive Störungen, neurologische Störungen, Autoimmunerkrankungen und die Antibiotika-resistenten superbugs.
„In vielen Fällen sind Infektionen durch Bakterien verursacht, die wir alle haben in uns die ganze Zeit, und in Schach gehalten von einheimischen Darmbakterien“, sagte Carlson. Es ist nicht so viel, dass die Infektion einige neue, schreckliche Bakterien, Sie erklärte aber, dass die Bevölkerung von anderen Bakterien haben sich geändert, was im unbeschränkten Wachstum der infektiösen Bakterien.
„Es geht wirklich darum, das Verständnis der Populationsdynamik dieser Systeme“, sagte Sie.
