內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)孫志宏團(tuán)隊(duì)建立人工智能乳酸菌發(fā)酵劑菌株篩選方法

隨著全民健康意識(shí)不斷提升，發(fā)酵乳因其具有豐富的營(yíng)養(yǎng)和良好的保健功能，受到國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者的青睞。發(fā)酵劑是發(fā)酵乳制品生產(chǎn)的技術(shù)核心，被稱為發(fā)酵乳產(chǎn)業(yè)的“芯片”，研究和開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)酵劑尤為重要。

近日，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)孫志宏團(tuán)隊(duì)在《中國(guó)科學(xué)：生命科學(xué)》英文版發(fā)表研究論文，該工作圍繞乳酸菌發(fā)酵劑開(kāi)展，是基于人工智能篩選發(fā)酵劑新方法的探索。

我國(guó)發(fā)酵乳所用發(fā)酵劑菌種85%依賴進(jìn)口，主要來(lái)自美國(guó)杜邦、丹麥科漢森等國(guó)外公司。存在市場(chǎng)產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重、產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展受限的問(wèn)題，制約了我國(guó)發(fā)酵乳產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力。發(fā)酵乳是我國(guó)乳品工業(yè)未來(lái)發(fā)展的新動(dòng)能，夯實(shí)的乳品科技核心基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)“奶罐”供應(yīng)更豐盈，科學(xué)解決發(fā)酵乳加工技術(shù)的自給自足問(wèn)題，合理布局產(chǎn)業(yè)化勢(shì)在必行。

該研究圍繞乳酸菌發(fā)酵劑開(kāi)展，發(fā)酵劑之間的相互作用對(duì)發(fā)酵乳制品的工藝特性和感官質(zhì)量有著重要的影響，德氏乳桿菌保加利亞亞種和嗜熱鏈球菌是組成發(fā)酵乳發(fā)酵劑的主要菌種，二者在乳環(huán)境中協(xié)同生長(zhǎng)，它們的共培養(yǎng)決定了發(fā)酵過(guò)程的效率和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

由于乳酸菌的菌株特異性，傳統(tǒng)的最佳發(fā)酵劑組合的實(shí)驗(yàn)篩選方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，該研究構(gòu)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)綜合框架，用于預(yù)測(cè)362株（圖1）德氏乳桿菌保加利亞亞種與嗜熱鏈球菌（共計(jì)32761個(gè)不同組合）之間的相互作用。該框架由兩個(gè)獨(dú)立的模型組成，第一個(gè)模型是基于KEGG數(shù)據(jù)的協(xié)同聚類預(yù)測(cè)模型，它通過(guò)應(yīng)用三種不同的聚類算法來(lái)處理未標(biāo)記的數(shù)據(jù)，并結(jié)合已知標(biāo)簽數(shù)據(jù)的分布來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。第二個(gè)模型是LbStIPred_SimLapRLS，這是一個(gè)基于k-mer分析數(shù)據(jù)和基因存在與缺失矩陣的拉普拉斯正則化最小二乘預(yù)測(cè)模型，該模型采用半監(jiān)督學(xué)習(xí)策略，綜合考慮了基因組成和代謝途徑信息，通過(guò)拉普拉斯正則化最小二乘法來(lái)預(yù)測(cè)潛在的相互作用。這兩個(gè)模型獨(dú)立運(yùn)行，分別生成預(yù)測(cè)結(jié)果，然后取交集作為最終的預(yù)測(cè)結(jié)果（圖2）。為了驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)性能，進(jìn)行了發(fā)酵乳實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從預(yù)測(cè)結(jié)果中隨機(jī)選取正負(fù)組合進(jìn)行發(fā)酵測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示模型的準(zhǔn)確率為85%，表明所提出方法具備可靠的預(yù)測(cè)性能。同時(shí)，考慮了發(fā)酵劑的代謝相互作用，揭示了發(fā)酵過(guò)程中乳品發(fā)酵劑互利共生和協(xié)同作用的潛在機(jī)制，包括半胱氨酸、核黃素、磷壁酸和胞外多糖的生物合成等（圖3）。

圖1. 該研究所用362株乳酸菌的地理來(lái)源

圖2. 計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)發(fā)酵劑組合的流程框架圖

圖3. 乳中發(fā)酵劑菌株互利共生和協(xié)同作用的潛在機(jī)制

該研究是發(fā)酵劑篩選新方法的探索，可實(shí)現(xiàn)從大量自然野生型乳酸菌菌株到產(chǎn)業(yè)化菌株的聚焦，直接有效縮短乳酸菌資源開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，有望突破發(fā)酵劑菌種菌株匱乏的現(xiàn)狀。此外，該研究基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的兩種模型，為其他微生物領(lǐng)域在標(biāo)簽樣本稀少情況下的相互作用研究提供了有價(jià)值的參考。發(fā)酵劑篩選模型的應(yīng)用將為復(fù)配發(fā)酵劑開(kāi)發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，加快發(fā)酵乳瓶頸技術(shù)的突破，為發(fā)酵乳產(chǎn)品多元化開(kāi)發(fā)的提供直接的物質(zhì)基礎(chǔ)和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，具有廣闊的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。

了解詳情，請(qǐng)閱讀原文：

Predicting Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus-Streptococcus thermophilus Interactions Based on a Highly Accurate Semi-Supervised Learning Method
SCIENCE CHINA Life Sciences
doi：10.1007/s11427-023-2569-7