Carbohydrate complexity limits microbial growth and reduces the sensitivity of human gut communities to perturbations

生物 微生物种群生物学 微生物生态学 碳水化合物 营养物 生态学 细菌 生物系统 生化工程 生物化学 遗传学 工程类
作者
Erin Ostrem Loss,Jaron Thompson,Pak Lun Kevin Cheung,Yili Qian,Ophelia S. Venturelli
出处
期刊:Nature Ecology and Evolution [Nature Portfolio]
卷期号:7 (1): 127-142 被引量:40
标识
DOI:10.1038/s41559-022-01930-9
摘要

Dietary fibre impacts the growth dynamics of human gut microbiota, yet we lack a detailed and quantitative understanding of how these nutrients shape microbial interaction networks and responses to perturbations. By building human gut communities coupled with computational modelling, we dissect the effects of fibres that vary in chemical complexity and each of their constituent sugars on community assembly and response to perturbations. We demonstrate that the degree of chemical complexity across different fibres limits microbial growth and the number of species that can utilize these nutrients. The prevalence of negative interspecies interactions is reduced in the presence of fibres compared with their constituent sugars. Carbohydrate chemical complexity enhances the reproducibility of community assembly and resistance of the community to invasion. We demonstrate that maximizing or minimizing carbohydrate competition between resident and invader species enhances resistance to invasion. In sum, the quantitative effects of carbohydrate chemical complexity on microbial interaction networks could be exploited to inform dietary and bacterial interventions to modulate community resistance to perturbations. Using synthetic human gut communities and computational modelling, the authors show that increasing the complexity of dietary carbohydrates reduces microbial growth, balances positive and negative interspecies interactions, and reduces community sensitivity to perturbations.
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