Mikrobiomer är kända för att spela viktiga roller i många aspekter av hälsa och sjukdom, och kan påverkas starkt av sådana variabler som kost, mediciner och fysisk stress.
Modellen beskrivs i en artikel som publicerades i mars 2022 i tidskriften _Nature Ecology &Evolution_. Det är den första sådan modell som utvecklats för så kallade "dynamiska strukturerade ekologiska samhällen", en kategori som inkluderar mikrobiomer.
"Att förstå hur mikrobiomer reagerar på förändringar kan leda till nya insikter om hur man behandlar sjukdomar associerade med mikrobiomer, såsom Crohns sjukdom, colon irritabile och parodontit", säger Christopher Tarnita, PhD, biträdande professor i ekologi och evolution och College vid UChicago , och senior författare av tidningen.
Modellen har utvecklats i samarbete med forskare vid Imperial College London och Stanford University.
Ett nytt tillvägagångssätt
De flesta matematiska modeller av mikrobiell samhällsdynamik tar inte hänsyn till samhällets struktur, i synnerhet uppdelningen av resurser mellan olika grupper.
Men, sa Tarnita, struktur spelar en avgörande roll för att bestämma hur samhällen reagerar på förändringar.
Modellen som teamet utvecklade är förankrad i konkurrensteorin, som säger att, givet fasta resurser, kommer arterna med den lägsta resurströskeln i slutändan att driva ut alla andra.
Forskarna lade till ytterligare en rynka till konkurrensteorin, vilket återspeglar att i verkliga miljöer kan vissa arter ha lättare att komma åt vissa resurser än andra eftersom de kan utnyttja dessa resurser mer effektivt eller för att de har resurserna i större överflöd i sin omedelbara tid. närhet.
Testförutsägelser
Teamet testade modellen genom att köra simuleringar där samhällen delades in i två grupper, varav en hade lättare tillgång till resurser, baserat på verkliga data om arter i olika miljöer.
I överensstämmelse med deras förväntningar visade simuleringarna att den grupp som hade lättast tillgång till resurser ökade i överflöd och tog upp majoriteten av samhällets biomassa, på bekostnad av den andra gruppen.
Forskarna testade också modellens förutsägelser med hjälp av verkliga datauppsättningar av mikrobiella samhällen från den mänskliga tarmen och munhålan.
Dessa tester visade att modellen kunde ge korrekta förutsägelser om sammansättningen av en mikrobiell gemenskap efter en störning - det vill säga efter introduktionen av en ny art, avlägsnandet av en art eller en förändring i överflöd av en nyckelresurs.
Konsekvenser för människors hälsa
Tarnita sa att resultaten kan hjälpa forskare att utveckla nya strategier för att manipulera mikrobiomer för att främja människors hälsa.
Till exempel kan modellen hjälpa till att identifiera mikrober som kan introduceras i tarmen för att främja matsmältningshälsa eller minska inflammation.
"En viktig insikt från vår modell är att om du riktar in dig på ett litet antal arter som har den enklaste tillgången till resurser, kan du potentiellt driva stora förändringar i den övergripande sammansättningen av samhället," sa han. "Vår modell kan hjälpa till att identifiera dessa nyckelmål."
