对于几百万年来与我们一起进化的东西，并且在我们的整个生命中仍是我们生理学的一部分，我们的肠道微生物组奇怪地仍然是个谜。由我们胃肠道中的细菌，病毒，原生动物和真菌组成的这个社区由至少一千个不同物种的数万亿种微生物组成，这对于每个人来说都是独特的，并且发现它们与我们健身的各个基本方面有着密切的联系对我们的新陈代谢和心理健康具有免疫力。

对于加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员Eric Jones，Zipeng Wang和Joshua Mueller来说，肠道微生物组是一种了不起的机器，充满了直接影响我们健康的相互作用和竞争。他们说，将机器调整到有利的方向可以提高我们的抗病能力。

琼斯说：“医学疗法是否可以通过改变微生物组的组成来改善宿主的健康状况?我们仍然不知道，因此这是一个巨大的研究领域。”“这个问题是一个伟大的动机。”

在我们的日常生活中，我们许多人希望通过服用益生菌和食用发酵食品来改善肠道微生物组。在临床情况下，粪便移植已被证明能成功治疗肠道细菌艰难梭菌的反复感染，而艰难梭菌通常会在用于治疗感染的抗生素消灭“有益的”肠道细菌后复发。

但是，除了采取广泛而英勇的措施以将大量有益细菌添加到胃肠道之外，还没有人知道如何将系统巧妙地指向健康方向。

琼斯说：“这不仅仅是将正确的微生物放入体内。”“您需要了解微生物所处的环境，并且需要了解促进稳定的肠道微生物组组成的因素。”

为了解决这个问题，研究人员在加州大学圣塔芭芭拉分校物理学教授让·卡尔森(Jean Carlson)的指导下，提出了一种通过操纵模型的某些参数将数学肠道微生物组模型推向目标微生物组组成的技术。这种方法称为SPARC(SSR指导的参数更改)，在不牺牲系统的情况下降低了系统的复杂性。并且，根据发表在《物理评论E》上的一项研究，它“也提供了关于如何操纵环境因素和物种与物种之间的相互作用来控制生态结果的系统理解”。

旧方程式，新用途

主要作者Zipeng Wang说：“因此，基本上，目标是找到与微生物组环境变化相对应的参数变化。”它有助于将肠道微生物组设想为一个球，栖​​息在山顶上，准备沿一个方向或另一个方向滚动。在这种理想化中，肠道环境决定了山丘的形状。健康的微生物组组成位于山的一侧，另一侧是与疾病相关的组成。研究人员称，虽然粪便移植将球直接推向山丘的健康一侧，但SPARC可以控制山丘的形状，有效地将球从一侧或另一侧向下滚动。

为了描述这种肠道生态系统(数据是从纽约纪念斯隆-凯特琳中心的小鼠模型实验中收集的)，研究人员使用了广义的Lotka-Volterra(gLV)方程。gLV方程也称为捕食者-猎物方程，它源于传统生态学中使用的百年历史方法来描述地球上物种之间的相互作用(例如竞争和捕食)以及间接相互作用的影响。

Wang说：“但是，困难之一是肠道微生物组具有所有这些不同的细菌种类，因此Lotka-Volterra方程变得非常高维，这意味着有很多参数，而且很多细菌相互作用的不同方式。我们很难找到合适的参数来实现所需的微生物组组成。”

为了避免操纵大量不同参数的反复试验，研究小组选择检查由降维技术(称为“稳态减少”(SSR))生成的生态模型的压缩但可靠的2D表示。根据研究人员的说法，这使他们能够缩小并确定控制山丘形状的关键参数。

琼斯解释说：“我们希望我们的模型能够为我们提供一种系统的策略，以识别出那些真正敏感的，最重要的低维特征。”“令我感到非常惊讶和高兴的是，例如，我们可以找到一个参数并将其值更改为其值的10%，这将改变山丘的形状。”

那是什么参数?好吧，考虑到肠道微生物群，饮食，共同存在的条件和环境影响的多样性，不一定有一种通用的参数变化(例如酸度或纤维含量)能适应所有情况。研究人员说，SPARC方法指导人们思考如何基于数据识别重要参数。

此外，SPARC当前主要是一种数学练习，尽管研究人员渴望在实验环境中进行尝试。

约书亚·穆勒说：“有人在研究所谓的单芯片肠道系统，就像复制人类肠道微生物组某些条件的微型培养皿一样。”“在这些严格控制的实验环境中验证SPARC真的很令人兴奋。”

琼斯说，在更遥远的未来，这种方法还可以为个性化微生物组管理铺平道路，在这种管理中，实时读取微生物群状态的信息(例如，从智能马桶中读取)可以告诉我们改变我们的饮食习惯可以避免疾病和改善我们的总体健康状况。

他说：“为了达到这一点，我们需要微生物组的机械模型。”“我们需要了解如何控制它。我们需要了解环境反馈如何影响微生物动力学。”