平衡生长状态下微生物群落的群落通量平衡分析

微生物群落研究的核心焦点在于阐明基因型、表型与动态群落结构之间的关系。在此，我们提出了一种名为群落通量平衡分析（cFBA）的新计算方法，用于研究微生物群落的代谢行为。cFBA 整合了单个微生物在（基因组尺度）代谢化学计量模型方面的全面代谢能力，以及群落内物种间与非生物过程之间的代谢相互作用。此外，cFBA 还考虑了来自反应化学计量学、反应热力学和生态系统的约束。cFBA 可预测平衡生长状态下群落的最大群落生长速率、微生物内部及微生物之间代谢反应所需的速率以及相对物种丰度。为了预测最佳群落生长速率下的物种丰度和代谢活性，需要求解一个非线性优化问题。我们概述了 cFBA 的方法学，并通过两个微生物群落实例对该方法进行了阐述。这些实例展示了 cFBA 的两种有效应用。首先，cFBA 可用于研究反应能力的特定生化限制如何导致微生物群落可能遇到的不同类型代谢限制。对这些最大能力的计算机模拟（in silico）改变有助于全局了解群落对各种代谢和环境约束的响应。其次，cFBA 非常适用于比较不同代谢交叉互养策略的性能，以寻找与实验数据一致的策略或对微生物群落最高效的策略。