Probabilistic deep learning models and integrated biological experiments for analyzing dynamic and heterogeneous microbiomes

用于分析动态和异质微生物组的概率深度学习模型和集成生物实验

基本信息

  • 批准号:
    10622713
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 44.75万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2028-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Our microbiomes, or the collections of trillions of micro-organisms that live on and within us, are highly dynamic and have been implicated in a variety of human diseases. Sophisticated computational approaches are critical for analyzing increasing quantities and types of microbiome data, including time-series, assays for non-bacterial components of the microbiome, and multiple measurement modalities such as metabolite and gene expression levels. Another exciting recent trend in the field has been translational applications, particularly live bacterial therapies for treating human diseases. In parallel, the field of machine learning has been advancing with deep learning technologies that have dramatically improved applications such as speech and image recognition. My lab develops novel machine learning methods and experimental approaches for understanding the microbiome, with a particular focus on microbial dynamics and bacteriotherapies. In the past five years, we have developed new computational methods and released open-source software tools for assessing the consistency of changes in the microbiome induced by therapeutics, forecasting population dynamics of microbiomes, and predicting the status (e.g., presence of disease) of the human host from changes in the microbiome over time. I have also led experimental efforts to delineate the role of bacteriophages in microbiome dynamics and to develop gut metabolite-based biomarker assays to predict recurrence of C. difficile infection. Additionally, with collaborators, we have developed candidate bacteriotherapies for C. difficile infection and food allergies. My overall vision for my lab in the next five years is to leverage deep learning technologies to advance the microbiome field beyond finding associations in data, to accurately predicting the effects of perturbations on microbiota, elucidating mechanisms through which the microbiota affects the host, and improving bacteriotherapies to enable their success in the clinic. I plan to accomplish this by developing new deep learning models that address specific challenges for the microbiome, including noisy/small datasets, highly heterogenous human microbiomes, the need for direct interpretability of model outputs, complex multi-modal datasets, and constraints imposed by biological principles. My plan is to directly couple computational models and biological experiments through reinforcing cycles of predicting, testing predictions with new experiments, and improving models. Approaches I will pursue include incorporating into deep learning models probability, embeddings of microbes and other entities using rich information (such as gene content or chemical structure), decomposition of multi-modal data into interpretable and interacting groups, and automated design of new biological experiments in gnotobiotic mice that seek to maximize information for computational models and ultimately improve engraftment and efficacy of candidate bacteriotherapies. An important objective will also be to make computational tools that my lab develops widely available to the research community, through release of quality open-source software.
我们的微生物组,或者生活在我们体表和体内的数万亿微生物的集合,是高度动态的 并与多种人类疾病有关。复杂的计算方法至关重要 用于分析数量和类型不断增加的微生物组数据,包括时间序列、非细菌分析 微生物组的组成部分以及代谢物和基因表达等多种测量方式 水平。该领域另一个令人兴奋的最新趋势是转化应用,特别是活细菌 治疗人类疾病的疗法。与此同时,机器学习领域也在不断深入发展。 学习技术极大地改进了语音和图像识别等应用。我的 实验室开发新颖的机器学习方法和实验方法来理解微生物组, 特别关注微生物动力学和细菌疗法。过去五年,我们发展了 新的计算方法和发布的开源软件工具用于评估变化的一致性 在治疗诱导的微生物组中,预测微生物组的种群动态,并预测 根据微生物组随时间的变化来了解人类宿主的状态(例如,疾病的存在)。我也曾领导过 描述噬菌体在微生物组动力学中的作用并开发肠道的实验努力 基于代谢物的生物标志物测定来预测艰难梭菌感染的复发。此外,与合作者一起, 我们已经开发出针对艰难梭菌感染和食物过敏的候选细菌疗法。我的总体愿景 未来五年我的实验室将利用深度学习技术推动微生物组领域超越 寻找数据中的关联,准确预测扰动对微生物群的影响,阐明 微生物群影响宿主的机制,并改进细菌疗法以使其能够 临床上的成功。我计划通过开发新的深度学习模型来解决特定问题来实现这一目标 微生物组面临的挑战,包括噪声/小数据集、高度异质的人类微生物组、 需要直接解释模型输出、复杂的多模态数据集以及由 生物学原理。我的计划是通过直接耦合计算模型和生物实验 加强预测、用新实验检验预测以及改进模型的循环。方法一 将追求包括将概率、微生物嵌入和其他内容纳入深度学习模型 使用丰富信息(例如基因内容或化学结构)的实体,多模态数据的分解 分为可解释和相互作用的群体,以及新生物实验的自动化设计 寻求最大化计算模型信息并最终改善植入和 候选细菌疗法的功效。一个重要的目标也是使我能够使用的计算工具 通过发布高质量的开源软件,实验室开发的产品广泛可供研究界使用。

项目成果

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