肠道微生物组由数万亿微生物组成，对保持我们的健康起着至关重要的作用。这些微生物平衡的紊乱可能导致多种健康问题，如炎症性肠病(IBD)。现在，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种名为coralME的创新工具，以更好地了解这些微生物如何相互作用及其与环境的互动如何影响健康。该工具能够从大量数据中快速创建详细的基因组规模代谢、基因和蛋白质表达的计算机模型。这些被称为"ME模型"的模型将微生物的基因组与其表型或特征联系起来。
这些模型可以揭示微生物如何响应特定营养素，包括哪些营养素会增加某些微生物并导致微生物组失衡，以及哪些营养素对常见于健康肠道的微生物最为有利。此外，该工具还能预测哪些营养素有利于过敏原或毒素等不良产物的形成。
"例如，从模型中我们可以看到，某种微生物需要某种氨基酸，但它自身无法制造这种氨基酸，因此它要么从另一种微生物获取，要么从人类宿主获取，或者从人类所摄入的饮食中获取。这些下一代基因组规模模型为理解复杂环境中微生物行为提供了机制基础。"
加利福尼亚大学圣地亚哥分校医学院儿科教授Karsten Zengler博士说
利用coralME，研究团队生成了495个ME模型，用于描述最常见的肠道物种，而这些工作如果手工完成将需要数十年甚至数百年时间。
研究人员使用这些模型模拟了不同饮食如何影响肠道细菌。例如，他们发现低铁或低锌饮食允许某些有害细菌存活，而高宏量营养素饮食可能促进有益细菌的生长，这些效果是传统计算模型所无法捕捉到的。
将实际IBD患者的微生物表达数据输入模型，揭示了微生物的实时活动情况，Zengler表示，他同时也是加利福尼亚大学圣地亚哥分校微生物组创新中心的成员，以及雅各布工程学院的生物工程兼职教授。
"这显示了微生物在吃什么，它们在制造什么产品，以及它们如何与其他微生物和宿主互动，"他说。"可以把这些模型想象成一个城市的路线图。当我们把这张地图与交通信息整合起来，就能得到地图的实时状态——当前交通的流动情况。"
研究团队发现，IBD患者经历肠道化学变化，包括pH值升高（酸性降低），但保护肠道的短链脂肪酸产量减少。他们还确定了与这些变化相关的特定细菌及细菌群之间的相互作用。
coralME工具提供了一种快速而强大的方法，可将复杂的遗传数据转化为关于肠道微生物行为以及饮食和疾病如何改变其活性的具体预测。从这些模型中获得的见解可能为诊断和治疗IBD以及许多影响微生物组的其他疾病提供新方法，并有可能使用个性化疗法来针对特定的微生物活动。
"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。
他表示，coralME工具的应用不仅限于人类疾病，它还可以用于生成微生物群落模型，例如土壤、其他动物或海洋中发现的微生物群落。
该研究于2025年11月20日发表在《Cell Systems》杂志上。
该研究的其他合著者包括：加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Juan D. Tibocha-Bonilla、Rodrigo Santibáñez-Palominos、Yuhan Weng和Manish Kumar。
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