ヒトの乳児期における腸内細菌の栄養利用戦略のためのゲーム理論モデル

A game theory model for gut bacterial nutrient utilization strategies during human infancy.

• Inga Leena Angell
• Knut Rudi

抄録

乳児期の腸のコロニー化パターンが広範囲に研究されているという事実にもかかわらず、基礎となる生態学的プロセスについての知識は限られている。これは特に栄養利用戦略の生態学的選択に関連している。そこで、本研究の目的は、経験的に決定された栄養利用戦略と、組み合わせゲーム理論モデルから予想される栄養利用戦略を比較することであった。100組の母子を対象とした観察分析の結果、母子間では栄養分をほとんど利用しない専門家が伝播していることが示唆された。一方、多くの栄養素を利用する可能性を持つジェネラリストは生後3ヶ月でピークを迎えた。ゼネラリストのレベルは、生後12ヶ月までは徐々にスペシャリストに置き換わっていった。ゲーム理論シミュレーションでは、人口の拡大に伴い、ゼネラリストが競争的に有利になることが明らかになり、一方で、より専門的な細菌は人口の成熟に伴い有利になることがわかった。このことから、生後3ヶ月の子供のゼネラリストの増加は、腸内細菌叢が未熟で拡大していることに起因する可能性があり、12ヶ月でのスペシャリストの増加は個体群の成熟に起因する可能性があることが示唆された。また、シミュレーションデータと経験データは、シミュレーション回数と年齢に応じて、それぞれα多様性が増加し、β多様性が減少するという点でも一致している。このように、栄養利用戦略のゲーム理論シミュレーションは、乳幼児期のヒト腸内細菌叢の成熟についての新たな洞察を提供することができる。

Despite the fact that infant gut colonization patterns have been extensively studied, we have limited knowledge about the underlying ecological processes. This particularly relates to the ecological choice of nutrient utilization strategies. The aim of the current study was therefore to compare empirically determined nutrient utilization strategies with that expected from a combinatorial game theory model. Observational analyses for 100 mother-child pairs suggested mother-child transmission of specialists with the potential to use few nutrients. Generalists, on the other hand, with the potential to use many nutrients, peaked at three months of age for the children. The level of generalists was gradually replaced with specialists up to 12 months of age. Game theory simulation revealed a competitive advantage of generalists in an expanding population, while more specialized bacteria were favoured with the maturation of the population. This suggests that the observed increase in generalists in the three-month-old children could be due to an immature, expanding gut microbiota population while the increase of specialists at 12 months could be due to population maturation. The simulated and empirical data also correspond with respect to an increased α diversity and a decreased β diversity with the number of simulations and age, respectively. Taken together, game theory simulation of nutrient utilization strategies can therefore provide novel insight into the maturation of the human gut microbiota during infancy.