依赖他者提供必需物资看似风险较高，但在微生物世界中，这种相互依赖的生存方式并不罕见。理解其形成原因，被认为有助于解释微生物如何在医疗、工业与生态环境中构建并维持稳定群落。

生物工程教授Sergei Maslov（CAIM联合负责人）、计算科学家Ashish George与生物学教授Tong Wang在一项新研究中，探讨了微生物群落中相互依赖为何能成为成功策略。相关成果发表于《Cell Systems》。研究团队提出了一个描述细菌生产与共享资源的数学模型，并称该模型能够较准确地预测活体大肠杆菌菌株实验的结果。

研究合作始于三人在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Carl R. Woese基因组生物学研究所共事期间。此后，George在布罗德研究所继续参与合作，Wang在普渡大学任职；Maslov仍在伊利诺伊大学工作，并为国家生物理论与数学研究所的附属成员。

Wang表示，微生物通常并非孤立生存，而是以群落形式存在。研究团队希望通过数学模型刻画微生物之间交换必需养分的方式，以及合作互动可能促成的群落结构。

Maslov与Wang重点关注营养缺陷型微生物，即缺乏合成一种或多种必需养分（通常为氨基酸）能力、需要从环境中摄取相关物质的微生物。研究指出，尽管营养缺陷表面上意味着对环境或邻近个体的依赖，但这类微生物在群落中普遍存在。Wang提到，既有研究显示，群落中营养缺陷物种越多，群落似乎越稳定，因此团队也试图回答营养缺陷物种数量较多的原因及其与生态稳定性的关系。

此前，一些研究通过实验室实验以及基于物种对物种相互作用的数学模型，讨论两种营养缺陷型微生物如何通过互相提供对方所需资源来维持群落功能。但研究团队认为，这类模型难以准确描绘更复杂的合作情形，尤其难以预测由14个成员构成、涉及多种养分共享或消耗的群落中相互依赖关系的演化。

为此，研究团队尝试建立能够以数值方式描述多类型微生物在整个群落中相互作用演进的模型，并在既定模型基础上推导出两个关键生态原则。Maslov表示，其一是“平衡所有通量”，即群落产生的所有氨基酸都应被群落成员消耗，不能出现剩余；其二是确保每个物种都存在限制其生长的因素，否则物种将指数增长并最终占据主导。研究团队据此在模型中同时处理通量平衡与“独特限制资源”的设定，以解释物种因争夺不同资源而实现共存。

模型结果显示，营养缺陷型微生物的存在可使群落在环境波动中更稳定，因为其相互依赖的生产与消费网络更具自给自足性。研究还指出，一旦群落形成，除非外来微生物的养分需求与既定群落动态相匹配，否则较难“入侵”。

在验证方面，研究人员使用该模型预测了另一团队此前关于14个实验室构建的大肠杆菌营养缺陷株共同培养的研究结果。该实验中有四个菌株存活并形成稳定群落。研究团队称，新模型成功预测了其中三个存活菌株的身份，相较以往模型表现更好。

研究团队表示，下一步计划将该模型应用于更贴近现实的条件，以理解生活在人体内外、并影响健康的细菌及其他微生物群落。Tong与Maslov提到，未来将关注群落组装过程，尝试解释人类肠道微生物群的一些共存模式，例如物种是否在不同氨基酸生成方面互补，甚至涉及维生素等其他必需资源。