Een nieuw model ontwikkeld aan de Universiteit van Chicago helpt voorspellen hoe de gemeenschappen van micro-organismen die in of op mensen, dieren, planten en andere organismen leven zich in de loop van de tijd aanpassen wanneer hun omgeving verandert.

Het is bekend dat microbiomen een belangrijke rol spelen in veel aspecten van gezondheid en ziekte, en sterk kunnen worden beïnvloed door variabelen als voeding, medicijnen en fysieke stress.

Het model wordt beschreven in een artikel dat in maart 2022 is gepubliceerd in het tijdschrift _Nature Ecology &Evolution_. Het is het eerste model dat is ontwikkeld voor zogenaamde ‘dynamisch gestructureerde ecologische gemeenschappen’, een categorie waartoe ook microbiomen behoren.

"Inzicht in hoe microbiomen reageren op veranderingen zou kunnen leiden tot nieuwe inzichten in de behandeling van ziekten die verband houden met microbiomen, zoals de ziekte van Crohn, het prikkelbare darm syndroom en parodontitis", zegt Christopher Tarnita, PhD, universitair docent Ecologie &Evolutie en het College van UChicago , en senior auteur van het artikel.

Het model is ontwikkeld in samenwerking met onderzoekers van Imperial College London en Stanford University.

Een nieuwe aanpak

De meeste wiskundige modellen van de dynamiek van microbiële gemeenschappen houden geen rekening met de structuur van de gemeenschap, in het bijzonder met de verdeling van hulpbronnen over verschillende groepen.

Volgens Tarnita speelt structuur echter een cruciale rol bij het bepalen hoe gemeenschappen op veranderingen reageren.

Het model dat het team heeft ontwikkeld is geworteld in de concurrentietheorie, die stelt dat, gegeven vaste hulpbronnen, de soort met de laagste hulpbronnendrempel uiteindelijk alle anderen zal verdrijven.

De onderzoekers voegden nog een rimpel toe aan de concurrentietheorie, omdat ze weerspiegelden dat sommige soorten in de echte wereld gemakkelijker toegang kunnen krijgen tot bepaalde hulpbronnen dan andere, omdat ze in staat zijn die hulpbronnen efficiënter te exploiteren of omdat ze over de hulpbronnen in grotere overvloed beschikken in hun onmiddellijke omgeving. nabijheid.

Voorspellingen testen

Het team testte het model door simulaties uit te voeren waarin gemeenschappen in twee groepen werden verdeeld, waarvan er één gemakkelijker toegang had tot hulpbronnen, gebaseerd op gegevens uit de echte wereld van soorten in verschillende omgevingen.

In overeenstemming met hun verwachtingen onthulden de simulaties dat de groep die de gemakkelijkste toegang tot hulpbronnen had, in overvloed toenam en het grootste deel van de biomassa van de gemeenschap in beslag nam, ten koste van de andere groep.

De onderzoekers testten de voorspellingen van het model ook met behulp van real-world datasets van microbiële gemeenschappen uit de menselijke darm en mondholte.

Deze tests toonden aan dat het model nauwkeurige voorspellingen kon doen over de samenstelling van een microbiële gemeenschap na een verstoring – dat wil zeggen na de introductie van een nieuwe soort, de verwijdering van een soort of een verandering in de overvloed van een belangrijke hulpbron.

Implicaties voor de menselijke gezondheid

Tarnita zei dat de bevindingen onderzoekers kunnen helpen nieuwe strategieën te ontwikkelen voor het manipuleren van microbiomen om de menselijke gezondheid te bevorderen.

Het model zou bijvoorbeeld kunnen helpen bij het identificeren van microben die in de darmen kunnen worden geïntroduceerd om de spijsvertering te bevorderen of ontstekingen te verminderen.

"Een belangrijk inzicht uit ons model is dat als je je richt op een klein aantal soorten die de gemakkelijkste toegang tot hulpbronnen hebben, je mogelijk grote verschuivingen in de algehele samenstelling van de gemeenschap teweeg kunt brengen," zei hij. "Ons model zou kunnen helpen deze belangrijkste doelen te identificeren."