计算建模工具绘制肠道微生物组对健康的影响图谱
2025年11月20日
人体微生物组，肠道细菌。[Artur Plawgo/Getty Images]
肠道微生物组的紊乱会导致炎症性肠病（IBD）等健康问题。为了更好地了解这些微生物如何相互作用及其与环境的互动，加州大学圣地亚哥分校的科学家开发了一种名为coralME的新工具，该工具可以创建详细的基因组规模代谢和基因与蛋白质表达计算模型。详细信息发表在《细胞系统》（Cell Systems）杂志的一篇新论文中，题为"微生物组的代谢和基因表达模型揭示了饮食和代谢失调如何影响疾病"。
据开发人员介绍，所谓的ME模型将微生物的基因组与其表型和属性联系起来。它们阐明了微生物如何对特定营养物质做出反应，例如哪些会增加特定微生物种群的数量并导致微生物组失衡。这些模型还可以预测哪些营养物质最有利于肠道有益的微生物种群，以及哪些会导致产生不需要的产物，如过敏原或毒素。
加州大学圣地亚哥医学院儿科教授、论文高级作者Karsten Zengler博士表示，这些基因组规模的模型"为理解复杂环境中微生物行为提供了机制基础"。"例如，我们从模型中可以看出，一种微生物需要某种氨基酸，但它自己无法合成这种氨基酸，因此它要么从其他微生物、人类宿主或人类饮食中获取。"
为了证明coralME的价值，科学家们生成了495个ME模型，这些模型描述了一些最常见的肠道物种。然后，他们使用这些模型来模拟不同饮食如何影响肠道细菌。除其他发现外，低铁或低锌饮食允许某些有害细菌存活，而高特定宏量营养素的饮食似乎促进有益细菌的生长。重要的是，这些是传统计算模型所忽略的效果，如果手动建模，可能需要数年时间。
当模型输入IBD患者的微生物表达数据时，科学家们能够实时观察微生物的行为，Zengler指出，他同时也是加州大学圣地亚哥分校微生物组创新中心的成员以及工程学院的生物工程兼职教授。
具体来说，研究小组发现IBD患者肠道化学环境发生变化，包括pH值更碱性，但保护肠道的短链脂肪酸产量下降。他们还确定了与这些变化相关的特定细菌和细菌群之间的相互作用。他表示，这些结果"展示了微生物正在吃什么、正在生产什么产物，以及它们如何与其他微生物和宿主相互作用。"
科学家们认为，从这些模型中获得的见解可能带来诊断和治疗IBD及其他影响微生物组疾病的新的方法。此外，可能有机会开发针对特定微生物活动的个性化疗法。"如果我们能够准确预测微生物组对任何疾病的反应，我们就能理解疾病与微生物组之间的联系，并找到治愈疾病的方法，"Zengler说。
开发人员指出，除了人类疾病，coralME还可用于生成土壤、水和其他动物中发现的微生物群落模型。
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