19、微生物群落决策模型与代谢网络调控规则推断

微生物群落决策模型与代谢网络调控规则推断

微生物群落决策模型

在微生物群落研究中，将FBA模型纳入恒化器群落模型框架时，由于FBA模型存在内部自由度，需要考虑多决策者这一本质上的博弈论问题。基于此，我们探索了两种模型：理性主体模型和理性群落模型。

理性群落模型特点

在理性群落模型中，群落会优化其共享代谢和环境营养浓度以实现群落目标，但不会明确优化物种浓度变量。这是因为不同的物种浓度可能有利于不同的物种，从而在通量和营养浓度方面产生多个最优解，我们并不清楚群落会选择哪个最优解。

群落决策的影响因素

群落的决策取决于整体框架（理性主体和理性群落）以及所设定的特定目标。例如，在囚徒困境（PD）场景中，通过最大化群落的生物量生产，会出现交叉喂养现象。而且，环境变量也起着重要作用。比如，在恒化器中增加流速，交叉喂养的益处会降低，使得CC从交叉喂养转变为非交叉喂养，这一现象可能与肠道微生物群相关。

不同场景下的共存机制

PD的定性结果对群落目标的变化具有相对较强的鲁棒性，例如切换到增长率总和目标时。然而，对于共存情况，改变群落目标函数会产生一组新的共存状态。我们的模型还表明，分批培养（BC）中的共存机制与恒化器（CA和CC）中的不同。在BC中，群落稳态并非群落生长导致的营养限制的结果，共存需要群落内达成共存协议，且没有任何外部强制机制，这可能相当于强制利他主义，这是一个新的视角，可能对未来的群落模拟方法具有重要意义。

研究的局限性与展望

本研究仅考虑了简单的代谢网络，这是为了获得一般性见解，并且可以符号化地解决问题，确保找到方程的所有根。但这种方法不可扩展，