热心肠先生|菌群依旧黑匣子，咋办？，Nature：代谢网络不突破图.酵母的基因组规模代谢网络模型。每

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图.酵母的基因组规模代谢网络模型。每一个彩色的球体代表一种酵母可代谢的底物。来源：J.Robinsonetal.Sci.Signal.13,eaaz1482;2020(CCBYSA4.0)
编者按：
宏基因组研究无法反映微生物真实的代谢情况，而且有研究已经发现，微生物在单一培养时和与其它微生物共培养时的基因表达情况并不相同。更为棘手的是，在复杂的生物系统中，不同的微生物之间、微生物与宿主之间的并行发生着成千上万的反应，我们难以通过实验的方法了解这些代谢反应。
为了解决这一问题，一些科学家开始尝试建模的方法，该方法有助于描绘细菌与其人类宿主之间广泛的生化互作图。
今天，我们特别编译发表在Nature杂志上关于利用建模解决宿主-微生物组互作网络的文章。希望本文能够为诸位读者带来一些启发与帮助。
如何照亮“黑匣子”在优雅的化学反应中有一些令人兴奋的东西——化学反应左边的输入加上确定的条件就可以预测化学反应另一边产生的物质，但这种可预测性在复杂的生物系统中很容易就丧失了，因为在复杂的生物系统中，大量相互作用的细胞之间并行发生着成千上万的反应。
以人类肠道菌群为例，在肠道中，约有1000种细菌，它们在与宿主交流的同时，彼此之间还存在着竞争和合作关系。这种互作过于复杂，无法在图表中表示，但是了解这些微生物是至关重要的，因为它们的生物活性直接影响我们的健康和对疾病的易感性。
现在，系统生物学家正在建立模型来照亮这些“黑匣子” 。爱尔兰国立大学（高威）的微生物组学研究员InesThiele说：“用传统的方法来研究这样的成千上万种反应既不可行，也不可取。但我们现在有一些技术，或许可以帮助我们更清晰地看到正在发生的事情，并解决出现的复杂情况。 ”
Thiele和她的同事正在开发数学和统计方法，利用基因组学和生物化学等领域的一系列数据，通过计算来重建高度多样化的肠道微生物组。虽然他们只捕获微生物组中复杂生物情况的一小部分，但已经可以用来揭示一些的微生物与其宿主之间的难以被发现的相互作用。

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图.人体代谢中复杂通路的图谱（红色是碳水化合物代谢通路）。图片来源：M.Kanehisa&S.GotoNucleicAcidsRes.28,27–30(2000)
基因组规模代谢网络模型对于许多建模工作而言，起点都是基因组规模代谢网络模型（Genome-scalemetabolicmodel ， GEM）。通过扫描一个微生物的基因组来确定它所能进行的生化反应， GEM实质上是一幅描绘某种微生物中的酶效应组装（enzymaticassembly）线路的蓝图。
瑞典哥德堡查尔默斯理工大学的系统生物学家JensNielsen说：“它们捕捉到了细胞的所有代谢能力。 ”然后，研究人员可以对这些输入和输出如何相互作用进行数学建模。
这种方法对肠道的研究尤其有效，因为肠道微生物通常很难在实验室培养。此外，研究人员还可以利用现有的生物学知识，例如利用已知酶序列的相似性来推断基因的可能功能，从而增加更多的信息。
实际上，即使是稀少的信息也是有用的。例如，圣地亚哥加利福尼亚大学的系统微生物学家KarstenZengler和他的同事，为一种研究相对较少的海洋硅藻（一种浮游生物）开发了一种GEM ，尽管这种生物的基因组中只有十分之一的基因功能被鉴定出来了1 。
“令人惊讶的是，它成功了， ”Zengler说， “我们有足够的关于代谢的信息来理解它们在做什么。 ”他的团队的建模方法将功能分配给1000多个硅藻基因，这些基因共同进行着近4500个相互关联的生化反应。利用该模型可以预测这些反应可能发生在细胞中的何处。