[논문 리뷰] Microbial community structure predicted by the stable marriage problem

Akshit Goyal, Veronika Dubinkina외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 17.

Evolutionary Game Theory and Cooperation참고 문헌 62인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 인간 장 내 미생물 공동체의 안정성과 전이를 예측하기 위해 안정적 배우자 문제(stable marriage problem)에 영감을 얻은 새로운 모델을 제안한다. 영양소 선호도와 경쟁 능력을 순위화함으로써, 모든 안정된 공동체 상태를 식별하고 항생제나 식이 변화와 같은 자극이 어떤 상태 전이를 유도할지를 예측한다. 이로써 상호 영양소 보완성이 7종의 Bacteroides 종이 9종의 다당류에서 높은 농도로 공존할 수 있도록 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 환경적 자극에 반응하여 안정된 미생물 공동체 상태 간의 전이를 예측하는 데 도전하는 것.
• 다양한 안정된 상태를 달성하고 유지하는 데 있어 미생물 공동체가 어떻게 작용하는지를 설명하는 개념적 프레임워크를 개발하는 것.
• 항생제, 프로바이오틱스, 또는 식이 변화와 같은 특정 자극이 이러한 상태 간의 전이를 유도하는지 규명하는 것.
• 영양소 특화와 경쟁 계층이 복잡한 미생물 공동체에서 공존을 가능하게 하는 방식을 탐구하는 것.

제안 방법

• 각 미생물의 가용 영양소에 대한 선호도와 그 영양소를 이용하는 데서의 경쟁 능력을 순위화한 두 개의 표를 사용하여 미생물 공동체를 모델링하는 것.
• 안정적 배우자 문제에 유사한 알고리즘 프레임워크를 적용하여 미생물과 영양소 간의 안정적 조합을 결정하는 것.
• 서로 안정적인 미생물-영양소 할당 조합의 집합으로서 가능한 모든 안정된 공동체 상태를 식별하는 것.
• 영양소 가용성 또는 경쟁 순위를 변경하여 자극을 시뮬레이션함으로써 안정된 상태 간의 전이를 예측하는 것.
• 공존 가능성 평가를 위해 7종의 Bacteroides 종과 9종의 다당류로 구성된 장 관련 시스템을 분석하기 위해 모델을 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항생제, 프로바이오틱스, 또는 식이 변화와 같은 특정 자극이 안정된 미생물 공동체 상태 간의 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ2 영양소 선호도와 경쟁 능력이 함께 작용하여 안정된 미생물 공동체 구성의 수와 구성 요소를 어떻게 결정하는가?
• RQ3 영양소 사용의 상호 보완성이 여러 미생물 종의 고농도 공존을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 안정적 배우자 문제 프레임워크를 복잡한 미생물 생태계에서의 공동체 수준의 타당한 동적 행동을 예측하는 데 적응시킬 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 순위화된 선호도와 경쟁 능력만으로도 모든 안정된 미생물 공동체 상태를 성공적으로 식별한다.
• 영양소 가용성 또는 경쟁 순위를 변경하는 자극을 시뮬레이션함으로써 안정된 상태 간의 전이를 예측할 수 있다.
• 7종의 Bacteroides 종과 9종의 다당류로 구성된 장 관련 시스템에서 영양소 사용의 상호 보완성이 고농도 공존을 가능하게 한다.
• 모델은 성장 속도나 억제 상수와 같은 명시적인 생태학적 매개변수 없이도 구조화된 미생물-영양소 조합에서 안정된 상태가 도출됨을 보여준다.