生物学院计算生物学中心发展计算模型攻克微生物耐药性难题

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近日，生物学院计算生物学中心研究人员发展了一系列计算模型研究万古霉素抗药性的遗传机理，相关成果发表在国际学术期刊《Frontiers in Microbiology》和《Nature Communications》上。

　　

　　金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus) 是人类的一种重要病原菌，可引起多种严重感染，万古霉素(vancomycin)作为治疗该菌引起疾病的最后一道防线，随着长时间的使用，也逐步产生了万古霉素耐药型菌株，探究其对不同万古霉素浓度的耐药性极为重要。

　　

　　微生物对不同药物浓度的反应，在进化上是属于表型可塑性概念。表型可塑性是指生物体随环境改变而改变其表型的能力，在生物适应性进化中起着关键作用。但是生物对环境变化的响应机制是高度复杂的，表型可塑性如何受基因控制是学术界的一项悬而未决的重要课题。

　　

　　研究人员设计了不同万古霉素浓度下的金黄色葡萄球菌生长实验，运用功能作图（functional mapping）等动态全基因组关联分析方法揭示了与金黄色葡萄球菌表型生长和可塑性相关的基因位点和机制。为后续的金黄色葡萄球菌感染和治疗提供了指导，为微生物表型可塑性研究提供了新方法，新策略。相关论文以题目为“Functional mapping of phenotypic plasticity of Staphylococcus aureus under vancomycin pressure”发表在知名期刊《Frontiers in Microbiology》（二区，IF：5.64）上。

　　

　　在功能作图的基础上， 研究人员发明功能图论(functional graph theory)，以此来推断表型可塑性的全基因组互作组网络（omnigenic interactome network）。这一成果题为“Inferring multilayer interactome networks shaping phenotypic plasticity and evolution”发表在顶级期刊《Nature Communications》（一区，IF：14.91）上。

　　

　　在这项研究中，研究人员整合了功能作图，进化博弈论，捕食者-猎物理论等多学科的知识，开发了一个统一的框架，构建出基因相互作用的微分方程。通过功能聚类和变量选择，运用龙格－库塔法对微分方程求解，实现了从任何维度的遗传数据中推断具有稳定性，稀疏性和因果关系的多层次全基因网络方法。

　　链接论文：

　　https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2021.696730/abstract

　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-25086-5