В течение почти столетия биологи-эволюционисты изучали, как гены кодируют шансы человека на успех – или приспособленность – в конкретной среде.
Чтобы выявить потенциальную эволюционную траекторию, биологи измеряют взаимодействия между генами, чтобы увидеть, какие комбинации наиболее подходят. Организм, который развивается, должен выбирать наиболее подходящий путь. Эта концепция называется фитнес-ландшафтом, и для ее описания были разработаны различные математические методы.
Подобно генам в геноме, микроорганизмы в микробиоме кишечника взаимодействуют, но не существует общепринятой математической основы для отображения паттернов этих взаимодействий. Существующие структуры для генов сосредоточены на локальной информации о взаимодействиях, но не создают глобальной картины.
"Если мы поймем взаимодействия, мы сможем делать прогнозы о том, как эти действительно сложные системы будут работать в различных сценариях. Но в сетях взаимодействия много сложностей из-за большого количества генов или видов.
Это увеличивает проблему и усложняет ее решение ", – сказал Лудингтон.
Итак, Лудингтон заговорил с математиком Майклом Йозвигом из Технического университета в Берлине.
"Майкл изначально мыслит в больших измерениях – гораздо больше, чем четыре. Он сразу понял проблему ", – сказал Лудингтон.
Затем Джозвиг и Лудингтон присоединились к Хольгеру Эблю из Берлинского технического университета, аспиранту, работавшей с Йосвигом, и Лизе Ламберти из ETH Zurich. Ламберти ранее сотрудничал с Лудингтоном, чтобы применить несколько иную математическую основу для взаимодействия с данными микробиома.
В настоящей работе команда расширила эту предыдущую структуру, чтобы создать более глобальную картину, сопоставив модели взаимодействий с ландшафтом.
«У людей микробиом кишечника – это экосистема, в которую входят от сотен до тысяч видов микробов, обитающих в желудочно-кишечном тракте, влияющих на здоровье и даже долголетие», – пояснил Лудингтон. "По мере того, как интерес к изучению микробиома продолжает расти, понимание этой сложности даст нам возможность прогнозирования для его разработки."
Но огромное разнообразие видов в микробиоме человека очень затрудняет выяснение того, как эти сообщества влияют на нашу физиологию. Вот почему плодовая мушка является такой отличной моделью. В отличие от человеческого микробиома, он состоит только из нескольких видов бактерий.
"Мы создали строгую математическую основу, которая описывает экологию микробиома, связанного с его хозяином. Уникальность этого подхода заключается в том, что он позволяет получить глобальное представление о ландшафте взаимодействия микробиома и хозяина ", – сказал Лудингтон. «Теперь мы можем использовать этот подход для сравнения различных ландшафтов, что позволит нам спросить, почему разные микробиомы связаны с одинаковыми последствиями для здоровья."
Авторы отмечают, что концепция одинаково хорошо применима к традиционным генетическим взаимодействиям. Их работа опубликована в Journal of Mathematical Biology.