Кишечник человека состоит из сложного сообщества микробов, которые потребляют и выделяют сотни небольших молекул – явление, называемое перекрестным кормлением. Однако экспериментально изучить эти процессы сложно. Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, использует модели для прогнозирования взаимодействия между видами микробов в кишечнике. Прогнозы на основе таких вычислительных методов могут в конечном итоге помочь врачам получить более полное представление о здоровье кишечника.
Известно, что микробное сообщество или микробиом кишечника влияет на здоровье человека. Предыдущие исследования были сосредоточены на определении типов присутствующих микробов. К сожалению, этой информации недостаточно для понимания микробиома.
"Окружающая среда кишечника сформирована небольшими молекулами, известными как метаболиты, которые выделяются микробным сообществом," сказал Сергей Маслов (BCXT / CABBI), профессор биоинженерии и стипендиат факультета Bliss. "Хотя эти метаболиты можно измерить экспериментально, это громоздко и дорого."
Исследователи ранее опубликовали исследование, в котором они использовали экспериментальные данные из других исследований для моделирования судьбы метаболитов при их прохождении через микробиом кишечника. В новом исследовании они использовали ту же модель для прогнозирования новых микробных процессов, которые не были определены ранее.
"То, что мы едим, попадает в наш кишечник, и возникает каскад микробов, выделяющих метаболиты," сказал Акшит Гоял, докторант Массачусетского технологического института и сотрудник лаборатории Маслова. "Биологи измерили эти молекулы в стуле человека, мы показали, что вы можете использовать вычислительные модели для прогнозирования уровней некоторых."
Измерение каждого метаболита и попытка понять, какой микроб может его выделять, может оказаться сложной задачей. "Существует множество возможных перекрестных взаимодействий. Используя эту модель, мы можем помочь экспериментам, предсказывая, какие из них с большей вероятностью произойдут в кишечнике," Гоял сказал.
Модель также была поддержана геномными аннотациями, которые объясняют, какие микробные гены отвечают за обработку метаболитов. "Мы уверены в своих прогнозах моделирования, потому что мы также проверили, содержат ли микробы гены, необходимые для проведения связанных реакций. Около 65% наших прогнозов подтвердились этой информацией," сказала Вероника Дубинкина, к.D. студент биоинженерии.
В настоящее время исследователи работают над улучшением модели за счет включения большего количества экспериментальных данных. "У разных людей разные штаммы кишечных микробов. Хотя эти разные штаммы имеют много общих генов, они различаются по своим возможностям," Дубинкина сказала. "Нам нужно собрать больше данных от пациентов, чтобы понять, как разные микробные сообщества ведут себя у разных хозяев."
"Нас также интересует, насколько быстро микробы потребляют и выделяют метаболиты," сказал Тонг Ван, доктор философии.D. студент-физик. "В настоящее время модель предполагает, что все микробы потребляют метаболиты с одинаковой скоростью. На самом деле показатели разные, и нам нужно понимать их, чтобы улавливать состав метаболитов в кишечнике."