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Predicting metabolomic profiles from microbial composition through neural ordinary differential equations

代谢组学 可解释性 代谢组 微生物群 计算机科学 计算生物学 仿形(计算机编程) 人工神经网络 生物 机器学习 人工智能 生化工程 生物信息学 工程类 操作系统
作者
Tong Wang,Xu‐Wen Wang,Kathleen Lee‐Sarwar,Augusto A. Litonjua,Scott T. Weiss,Yizhou Sun,Sergei Maslov,Yang‐Yu Liu
标识
DOI:10.1101/2022.06.23.497381
摘要

Abstract Characterizing the metabolic profile of a microbial community is crucial for understanding its biological function and its impact on the host or environment. Metabolomics experiments directly measuring these profiles are difficult and expensive, while sequencing methods quantifying the species composition of microbial communities are well-developed and relatively cost-effective. Computational methods that are capable of predicting metabolomic profiles from microbial compositions can save considerable efforts needed for metabolomic profiling experimentally. Yet, despite existing efforts, we still lack a computational method with high prediction power, general applicability, and great interpretability. Here we develop a new method — mNODE (Metabolomic profile predictor using Neural Ordinary Differential Equations), based on a state-of-the-art family of deep neural network models. We show compelling evidence that mNODE outperforms existing methods in predicting the metabolomic profiles of human microbiomes and several environmental microbiomes. Moreover, in the case of human gut microbiomes, mNODE can naturally incorporate dietary information to further enhance the prediction of metabolomic profiles. Besides, susceptibility analysis of mNODE enables us to reveal microbe-metabolite interactions, which can be validated using both synthetic and real data. The presented results demonstrate that mNODE is a powerful tool to investigate the microbiome-diet-metabolome relationship, facilitating future research on precision nutrition.
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