Prediction and control of multi-species systems: 10000-microbiome experiments

DNAメタバーコーディングによって得られた数千にのぼる生物群集サンプルの情報に基づき、その時系列動態の解明を行った。特に、人腸内細菌叢の時系列動態等において、「dysbiosis」と呼ばれているような、急激な群集構造（および生態系機能）の変化が起こる現象に着目し、その予兆を捉えることができるか、詳細な分析を行った。急激な群集構造の変化は、２通りの理論的枠組で捉えることができる。１つ目は、代替安定状態間のシフトである。変化前と変化後の群集構造が、それぞれ異なる平衡点（次元0のアトラクター）近傍にあるとすると、その平衡点間のシフト、という形でdysbiosisを捉えることができる。2つ目の捉え方は、複雑な形状のアトラクター上（非整数の次元をもつアトラクター）の動態という捉え方である。従来の群集生態学においては、前者は、代替安定状態（alternative stable states）という概念を中心に発展し、後者はカオス時系列動態として理論的に発展してきた。しかし、種多様な生物群集の時系列データ自体がこれまでほとんど存在してこなかったため、この２つの捉え方を整理して実証研究と理論研究をフィードバックさせるような取り組みは例がなかった。本研究プロジェクトにおいて得られた大規模生物群集時系列データによって、この２つの理論的枠組の間で整理を行うことが可能となった。複雑微生物群集の時系列動態を理論的に整理した上で、膨大な実証データでその枠組を検証した論文が、微生物学のトップジャーナルの１つであるMicrobiome誌に掲載された。

DNAメタバーコーディングによって得られた数千にのぼる生物群集サンプルの情報に基づき、その時系列動態の解明を行った。特に、人腸内細菌叢の時系列動態等において、「dysbiosis」と呼ばれているような、急激な群集構造（および生態系機能）の変化が起こる現象に着目し、その予兆を捉えることができるか、詳細な分析を行った。急激な群集構造の変化は、２通りの理論的枠組で捉えることができる。１つ目は、代替安定状態間のシフトである。変化前と変化後の群集構造が、それぞれ異なる平衡点（次元0のアトラクター）近傍にあるとすると、その平衡点間のシフト、という形でdysbiosisを捉えることができる。2つ目の捉え方は、複雑な形状のアトラクター上（非整数の次元をもつアトラクター）の動態という捉え方である。従来の群集生態学においては、前者は、代替安定状態（alternative stable states）という概念を中心に発展し、後者はカオス時系列動態として理論的に発展してきた。しかし、種多様な生物群集の時系列データ自体がこれまでほとんど存在してこなかったため、この２つの捉え方を整理して実証研究と理論研究をフィードバックさせるような取り組みは例がなかった。本研究プロジェクトにおいて得られた大規模生物群集時系列データによって、この２つの理論的枠組の間で整理を行うことが可能となった。複雑微生物群集の時系列動態を理論的に整理した上で、膨大な実証データでその枠組を検証した論文が、微生物学のトップジャーナルの１つであるMicrobiome誌に掲載された。