Um novo modelo desenvolvido na Universidade de Chicago ajuda a prever como as comunidades de microrganismos que vivem dentro ou sobre humanos, animais, plantas e outros organismos se ajustam ao longo do tempo quando os seus ambientes mudam.

Sabe-se que os microbiomas desempenham papéis importantes em muitos aspectos da saúde e da doença e podem ser fortemente afetados por variáveis ​​como dieta, medicamentos e estresse físico.

O modelo é descrito em artigo publicado em março de 2022 na revista _Nature Ecology &Evolution_. É o primeiro modelo desse tipo a ser desenvolvido para as chamadas “comunidades ecológicas estruturadas dinâmicas”, uma categoria que inclui microbiomas.

“Compreender como os microbiomas respondem às mudanças pode levar a novos insights sobre como tratar doenças associadas aos microbiomas, como a doença de Crohn, a síndrome do intestino irritável e a periodontite”, disse Christopher Tarnita, PhD, professor assistente de Ecologia e Evolução e da Faculdade da UChicago. e autor sênior do artigo.

O modelo foi desenvolvido em colaboração com pesquisadores do Imperial College London e da Universidade de Stanford.

Uma nova abordagem

A maioria dos modelos matemáticos da dinâmica da comunidade microbiana não leva em conta a estrutura da comunidade, em particular, a divisão de recursos entre diferentes grupos.

No entanto, disse Tarnita, a estrutura desempenha um papel crítico na determinação de como as comunidades respondem às mudanças.

O modelo que a equipa desenvolveu está enraizado na teoria da concorrência, que afirma que, dados recursos fixos, as espécies com o limiar de recursos mais baixo acabarão por expulsar todas as outras.

Os investigadores acrescentaram outro aspecto à teoria da concorrência, reflectindo que, em contextos do mundo real, algumas espécies podem ter mais facilidade em aceder a determinados recursos do que outras, porque são capazes de explorar esses recursos de forma mais eficiente ou porque têm os recursos em maior abundância nas suas áreas imediatas. vizinhança.

Testando previsões

A equipe testou o modelo executando simulações em que as comunidades foram divididas em dois grupos, um dos quais tinha acesso mais fácil aos recursos, com base em dados do mundo real de espécies em diversos ambientes.

Consistente com as suas expectativas, as simulações revelaram que o grupo que tinha o acesso mais fácil aos recursos aumentou em abundância e absorveu a maior parte da biomassa comunitária, à custa do outro grupo.

Os pesquisadores também testaram as previsões do modelo usando conjuntos de dados reais de comunidades microbianas do intestino humano e da cavidade oral.

Estes testes mostraram que o modelo poderia fornecer previsões precisas sobre a composição de uma comunidade microbiana após uma perturbação – isto é, após a introdução de uma nova espécie, a remoção de uma espécie ou uma alteração na abundância de um recurso chave.

Implicações para a saúde humana

Tarnita disse que as descobertas podem ajudar os pesquisadores a desenvolver novas estratégias para manipular microbiomas para promover a saúde humana.

Por exemplo, o modelo poderia ajudar a identificar micróbios que poderiam ser introduzidos no intestino para promover a saúde digestiva ou reduzir a inflamação.

“Uma visão importante do nosso modelo é que se você visar um pequeno número de espécies que têm o acesso mais fácil aos recursos, poderá potencialmente provocar grandes mudanças na composição geral da comunidade”, disse ele. "Nosso modelo poderia ajudar a identificar esses alvos principais."