Nature Communications | 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的微生物群落定殖抗性預(yù)測(cè)
2024年3月16日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成微生物組學(xué)研究中心、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院戴磊課題組在Nature子刊??Nature Communications上發(fā)表了腸道微生物組的定量生態(tài)學(xué)最新研究成果,題為《Data-driven prediction of??colonization outcomes for complex microbial??communities》。該團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了針對(duì)微生物組的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究范式,用微生物群落的物種組成來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)外源物種的定殖結(jié)果。深圳先進(jìn)院的吳璐博士和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的王旭文博士為共同第一作者,戴磊研究員和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的劉洋彧副教授為文章共同通訊作者。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-46766-y
人體腸道微生物組在抵抗致病菌定殖過程中發(fā)揮著重要作用。這一現(xiàn)象被稱為定殖抗性,指的是微生物群落對(duì)于外源物種的抵抗能力。研究發(fā)現(xiàn),腸道菌群的物種組成和定殖抗性都呈現(xiàn)出顯著的個(gè)體差異。針對(duì)特定個(gè)體的腸道微生物組,全面解析物種之間的互作網(wǎng)絡(luò)是十分困難的,是否有可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)外源物種的定殖結(jié)果?定殖抗性是否由關(guān)鍵物種決定?在這項(xiàng)工作中,研究團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究范式可以用于預(yù)測(cè)和理解復(fù)雜微生物群落的功能,進(jìn)而可以通過引入關(guān)鍵物種來實(shí)現(xiàn)群落功能的精準(zhǔn)調(diào)控。
首先,研究團(tuán)隊(duì)通過廣義Lotka-Volterra模型的解析推導(dǎo)和計(jì)算模擬,證明了在訓(xùn)練數(shù)據(jù)量與微生物群落物種多樣性相當(dāng)?shù)那闆r下,隨機(jī)森林、神經(jīng)常微分方程等機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以基于腸道菌群的物種組成準(zhǔn)確預(yù)測(cè)外源物種的定殖結(jié)果和穩(wěn)態(tài)豐度(圖1)。

圖1. 通過采樣不同物種組成的微生物群落作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)外源物種的定殖結(jié)果。
然后,在人體腸道微生物群落的體外培養(yǎng)體系中,研究團(tuán)隊(duì)用致病菌Enterococcus??faecium和益生菌Akkermansia??muciniphila作為代表性物種,在約300個(gè)不同物種組成的人體腸道微生物群落中進(jìn)行了大規(guī)模的定殖實(shí)驗(yàn)(圖2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),外源物種的定殖結(jié)果在不同個(gè)體之間存在顯著差異。在能夠成功定殖的群落中,其穩(wěn)定豐度也可能存在兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的差別。此外,經(jīng)過抗生素處理后,腸道菌群的物種多樣性和定殖抗性顯著降低,與之前的經(jīng)驗(yàn)性觀測(cè)和理論研究相吻合。對(duì)于兩個(gè)不同物種的定殖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集,機(jī)器學(xué)習(xí)模型均可以基于腸道菌群的初始物種組成來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)定殖結(jié)果。

圖2. 對(duì)于來自不同個(gè)體的腸道菌群,開展外源物種的定殖實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。
最后,研究團(tuán)隊(duì)通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型,開展移除特定物種的假想實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步理解定殖抗性的生態(tài)學(xué)機(jī)制(圖3)。模型推斷,大多數(shù)的共生菌對(duì)外源物種有較弱的拮抗作用,這與定殖抗性在復(fù)雜群落中的涌現(xiàn)特征相符合。此外,發(fā)現(xiàn)某些關(guān)鍵物種的存在可以顯著提高定殖抗性,例如Enterococcus??faecalis對(duì)于Enterococcus??faecium的定殖有非常明顯的抑制作用,并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這一結(jié)果表明,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究方法可以推斷定殖抗性的關(guān)鍵物種,進(jìn)而指導(dǎo)微生物組的精準(zhǔn)調(diào)控。通過調(diào)控微生物群落的組成來防止致病菌的定殖或者促進(jìn)益生菌的定殖,在人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都有著重要的應(yīng)用。

圖3. 推斷和驗(yàn)證決定腸道菌群定殖抗性的關(guān)鍵物種。
論文特別致謝了深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,其DNA提取自動(dòng)化平臺(tái)保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(No.2019YFA0906700)、國家自然科學(xué)基金(No.31971513,??No.32100089)、廣東省自然科學(xué)基金(No. 2022A1515011513),深圳市微生物藥物智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室??(ZDSYS20210623091810032)和深圳合成生物創(chuàng)新研究院的資助。
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