[論文レビュー] Microbial community structure predicted by the stable marriage problem

Akshit Goyal, Veronika Dubinkina+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2017

Evolutionary Game Theory and Cooperation参考文献 62被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、安定な結婚問題にインspiredされた新規モデルを導入し、ヒトの腸内微生物集団の安定性および遷移を予測する。微生物の栄養素への好みと競争能力を順位付けすることで、すべての安定した集団状態を特定し、抗生物質や食事変化などの摂動が状態遷移を引き起こすかどうかを予測する。その結果、相互に栄養補完的相互作用が、9種の多糖類上で7種のBacteroidesが高濃度で共存可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

Experimental studies of microbial communities routinely reveal several stable states. While each of these states is generally resilient, exposure to antibiotics, probiotics, or different diets often trigger transitions to other states. Can we predict which specific perturbations will cause such transitions? Here we present a new conceptual model - inspired by the stable marriage problem - which both exhibits these emergent phenomena and makes such predictions. Our model's core ingredient is that microbes utilize nutrients one at a time, while competing with each other. Using only two ranked tables with microbes' nutrient preferences and competitive abilities, we can determine all the stable states as well as the specific perturbations driving a community from one state to another. Using an example of 7 Bacteroides species utilizing 9 polysaccharides common to the human gut, we predict that mutual complementarity in nutrient preferences enables these species to coexist at high abundances.

研究の動機と目的

• 環境的摂動への反応として、安定な微生物集団状態間の遷移を予測する課題に対処すること。
• 微生物集団が複数の安定状態を達成および維持する仕組みを説明する概念的枠組みを構築すること。
• 抗生物質、プロバイオティクス、食事のシフトなどの特定の摂動が、これらの状態間の遷移を引き起こすかどうかを特定すること。
• 栄養素への特化と競争優位順位が、複雑な微生物集団における共存をどのように可能にするかを調査すること。

提案手法

• 各微生物の利用可能な栄養素に対する好みの順位表と、その栄養素を利用することにおける競争能力の順位表の2つを用いて、微生物集団をモデリングする。
• 安定な結婚問題に類似したアルゴリズム的フレームワークを適用し、微生物と栄養素の間で安定なペアリングを特定する。
• 互いに安定した微生物-栄養素の割り当ての集合として、すべての可能な安定した集団状態を同定する。
• 栄養素の可用性や競争順位を変更することで摂動をシミュレートし、安定状態間の遷移を予測する。
• 7種のBacteroidesと9種の多糖類からなる腸内関連系を用いて、共存可能性を評価するため、モデルを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 抗生物質、プロバイオティクス、食事の変化などの特定の摂動が、安定な微生物集団状態間の遷移を引き起こすか？
• RQ2 栄養素への好みと競争能力が、安定した微生物集団構成の数とその特定の組み合わせをどのように決定するか？
• RQ3 栄養素利用における相互補完的相互作用が、複数の微生物種の高濃度共存を可能にする役割は何か？
• RQ4 安定な結婚問題のフレームワークを、複雑な微生物エコシステムにおける出現的コミュニティダイナミクスを予測するために適応可能か？

主な発見

• モデルは、順位付けされた好みと競争能力に基づくのみで、すべての安定した微生物集団状態を的確に同定できた。
• 栄養素の可用性や競争順位を変更する摂動をシミュレートすることで、安定状態間の遷移を予測可能であった。
• 7種のBacteroidesと9種の多糖類からなる腸内関連系において、栄養素利用の相互補完的相互作用が、高濃度での共存を可能にした。
• モデルは、成長速度や阻害定数といった明示的な生態的パラメータが存在しない状況でも、構造的微生物-栄養素ペアリングから安定状態が生じることを示した。