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.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
如意向真发布了新的文献求助10
刚刚
刚刚
傲娇醉冬应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
所所应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
淡淡猎豹完成签到,获得积分10
1秒前
天天快乐应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
1秒前
斯文败类应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
在水一方应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
英姑应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
汉堡包应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
桐桐应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
Cyd发布了新的文献求助10
1秒前
FashionBoy应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
852应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
无极微光应助科研通管家采纳,获得20
1秒前
斯文败类应助科研通管家采纳,获得10
2秒前
嘻嘻应助科研通管家采纳,获得10
2秒前
华仔应助科研通管家采纳,获得10
2秒前
Victoria完成签到,获得积分10
2秒前
小蘑菇应助科研通管家采纳,获得10
2秒前
大个应助科研通管家采纳,获得10
2秒前
互助应助科研通管家采纳,获得20
2秒前
2秒前
bkagyin应助科研通管家采纳,获得10
2秒前
烟花应助科研通管家采纳,获得30
2秒前
失眠的龙猫完成签到,获得积分10
3秒前
科目三应助qiandaij采纳,获得10
3秒前
大个应助科研通管家采纳,获得10
3秒前
LilGee发布了新的文献求助10
3秒前
王晓宇完成签到,获得积分10
3秒前
FashionBoy应助科研通管家采纳,获得10
3秒前
傲娇梦旋发布了新的文献求助20
3秒前
3秒前
烟花应助科研通管家采纳,获得10
3秒前
在水一方应助知之采纳,获得10
4秒前
4秒前
4秒前
4秒前
科研通AI2S应助科研通管家采纳,获得10
4秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
The Organometallic Chemistry of the Transition Metals 800
Chemistry and Physics of Carbon Volume 18 800
The Organometallic Chemistry of the Transition Metals 800
The formation of Australian attitudes towards China, 1918-1941 640
Signals, Systems, and Signal Processing 610
全相对论原子结构与含时波包动力学的理论研究--清华大学 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 物理 内科学 复合材料 催化作用 物理化学 光电子学 电极 细胞生物学 基因 无机化学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 6438950
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 8253051
关于积分的说明 17564109
捐赠科研通 5497169
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2899173
邀请新用户注册赠送积分活动 1875802
关于科研通互助平台的介绍 1716511