Recurrent neural networks enable design of multifunctional synthetic human gut microbiome dynamics

微生物群 破译 计算机科学 合成生物学 厚壁菌 计算生物学 肠道微生物群 人工智能 放线菌门 人工神经网络 机器学习 生物 生态学 生物信息学 基因 生物化学 16S核糖体RNA
作者
Mayank Baranwal,Ryan L. Clark,Jaron Thompson,Zeyu Sun,Alfred O. Hero,Ophelia S. Venturelli
出处
期刊:eLife [eLife Sciences Publications Ltd]
卷期号:11 被引量:52
标识
DOI:10.7554/elife.73870
摘要

Predicting the dynamics and functions of microbiomes constructed from the bottom-up is a key challenge in exploiting them to our benefit. Current models based on ecological theory fail to capture complex community behaviors due to higher order interactions, do not scale well with increasing complexity and in considering multiple functions. We develop and apply a long short-term memory (LSTM) framework to advance our understanding of community assembly and health-relevant metabolite production using a synthetic human gut community. A mainstay of recurrent neural networks, the LSTM learns a high dimensional data-driven non-linear dynamical system model. We show that the LSTM model can outperform the widely used generalized Lotka-Volterra model based on ecological theory. We build methods to decipher microbe-microbe and microbe-metabolite interactions from an otherwise black-box model. These methods highlight that Actinobacteria, Firmicutes and Proteobacteria are significant drivers of metabolite production whereas Bacteroides shape community dynamics. We use the LSTM model to navigate a large multidimensional functional landscape to design communities with unique health-relevant metabolite profiles and temporal behaviors. In sum, the accuracy of the LSTM model can be exploited for experimental planning and to guide the design of synthetic microbiomes with target dynamic functions.
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