The Gut Microbiome: A Vital Ecosystem

ومن ثم، فإن الميكروبيوم البشري يضم تريليونات من الكائنات المجهرية - البكتيريا والأثرية والفيروسات والفطريات التي تعيش في الخلاصات الوراثية، ويؤثر هذا النظام الإيكولوجي المعقد تأثيراً عميقاً على علم الفيزيائيات المضيفة، والهضم المؤثر، والداء الأيض، والوظيفة المناعية، وحتى على المدى العصبي.

وقد وفرت النُهج التجريبية التقليدية، بما في ذلك نماذج الحيوانات النباتية ودراسات الشحوم البشرية، أفكاراً أساسية، غير أن التعقيد الحاد للطب الميكروبيوم - مع مئات الأنواع وترليونات التفاعلات الأيضية - التي كثيراً ما تتجاوز قدرة التكتل المباشر على التجارب وحدها. ]]

عالم الفيزياء المضيف و"ميكروبيوم" شارع "توين واي"

والعلاقة بين علم الأحياء المجهرية وعلم الفيزياء المضيفة هي ذات توجهات ثنائية، وهي عوامل مستمدة من مواد عدائية، ومبيدات آفات مضادة للأوبئة، وتشكيل الثروات في المجتمعات المحلية المجهرية، وكمصدر للكميات الميكروبية، بما في ذلك حمضات المدونات القصيرة السلسلة، وحامضات ثنائية ثانوية، وممرات نقل الأعصاب، مثل مسارات الإشارة.

ويمتد هذا الحوار المعقد إلى ما هو أبعد من الشدة، وتدور الجزيئات التي تستخدم ميكروبايوم وتؤثر على الأنسجة المحيطة مثل الكبد والأنسجة الأديبية والدماغ عبر محور الأحشاء وشبكة الأمعاء، وتجمع البيانات البدائية المجهرية بين هذه التفاعلات المنهجية [(FLT:1]) لا تتطلب فقط استخلاص مبادلات وصفية محلية بل تجمع بين المقاييس الكلية.

نُهج النماذج

وتختلف النماذج الحاسوبية للتفاعلات بين الميكروبيوم والزهور في الافتراضات المتعلقة بالحل والنطاق والافتراضات البيولوجية، والأطر المهيمنة الثلاثة هي النماذج الأيضية، ونماذج الشبكات، ونماذج التعلم الآلات، وكلها تعالج مختلف جوانب المشكلة ولديها مواطن قوة وحدود متميزة.

النماذج الدوائية

وتمثل نماذج الأيض غير الجيني مجموعة كاملة من ردود الفعل الكيميائية البيولوجية التي تحدث في الكائنات المجهرية أو خلية مضيفة، ومن خلال إدماج شروح جينية معوقات الاضطرابات، فإن هذه النماذج الوبائية الناظمة للتفاعلات الوبائية المسببة للمرض هي نماذج متغيرة للتفاعلات.

نماذج الشبكات

(أ) التفاعلات القائمة على الشبكة بين الضريبة المجهرية أو بين الجزيئات الميكروبية والزاوية، كحدائق وثبات، وتُظهر شبكات التخصيب المشتركة التي تُستدل من 16S RNA أو بيانات تسلسلية مائية علاقات إيكولوجية مثل التكتل أو المنافسة أو المهيجية - داخل المجتمع، وتُدرج نماذج متطورة للتفاعل بين الجينات المضيفة

نماذج التعلم الآلاتي

(ب) قد تكون الخوارزميات المسببة للاضطرابات، بما في ذلك الغابات العشوائية، والزيادة التدريجية، والشبكات العصبية العميقة، والخلاص من أنماط استخراج البيانات الضخمة والعالية الأبعاد، وفي بحوث الأحياء المجهرية، يتم تدريب نماذج الأشعة المغنطية على التقويم أو الملامح الوظيفية للتنبؤ بالنتائج السريرية مثل حالة الأمراض، والاستجابة للعلاج، أو التقدم في مجال الأمراض.

تطبيقات الصحة والأمراض

وقد ترجمت نُهج النماذج بالفعل إلى أفكار عملية في عدة مجالات من مجالات الأمراض، فيما يلي ثلاثة أمثلة بارزة:

أمراض البلوط الهادفة

IBD-comprising Crohn's disease and ulcerative colitis-is characterized by chronic inflammation of the gastrointestinal tract. Metagenomic studies consistently shown reduced microbial diversity and a depletion of SCFA-producing bacteria in IBD patients. Constraint-based metabolic models have predictate

المشردون من مرض السكر

وترتبط الاضطرابات الناجمة عن الاضطرابات الناجمة عن الجراثيم، وتُحدَّث النماذج الأيضية المتعددة الأنواع كيف أن نظام التغذية الغربي يُعاد تشكيله من الميكروبات - الكائنات الحية، مما يؤدي إلى زيادة حصاد الطاقة وتغيُّر ملامح الأحماض الثنائية، وقد بينت مثلاً أن ] الأنواع المصغرة من المواد الغذائية [Fward-Xbi

الصحة العقلية

The gut-brain a rapidly growing area of research, with preclinical models demonstrate that microbiota influence anxiety-like behavior, stress responsivity, and social interaction. Machine learning models analyzing fecal samples from patients with major depressive disorder have identified elevated levels of proinflammatory bacteria[F1]

التحديات والحدود

وعلى الرغم من قوتها، فإن النماذج الحالية تواجه عدة قيود: أولاً، ما زالت نوعية البيانات وتوحيدها تثير مشاكل، أما نماذج التقلبات الجامدة والميضية فيتباين تبايناً واسعاً بين البروتوكولات والمختبرات وخطوط الأنابيب الحيوية، مما يجعل من الممكن نقل النماذج النموذجية.

الاتجاهات المستقبلية

وسيؤدي الجيل القادم من نماذج الازدحام الميكروبيوم - الأسقف إلى إثراء الأطر المتعددة الوسائط التي تترجم البيانات من مستويات الجزيئية إلى مستويات السكان.

و مع نضج هذه الأدوات، فإنها ستمكن من اتباع نهج الطب الدقيق التي تصمم الظواهر الحيوية، و التهاب الوجبات الغذائية، أو حتى العلاجات التغذوية القائمة على أساس الميكروبيوم الفردي و النموذج الجيني المضيف، على سبيل المثال، النماذج الأيضية يمكن أن تتوقّع بالفعل أي الألياف الرجعية ستعزز إنتاجية الـ(إف بي إي إم بي إي) المُفيدة في أحشاء شخص ما.

وتشمل الموارد الخارجية للقراءة الأخرى ما يلي:

ومن خلال النهوض بأطر النموذج هذه، سيتوصل الباحثون إلى فهم أعمق للغة يتحدث من خلالها سكاننا من الميكروبيات إلى خلايانا وكيفية الاستماع إليها.