本發(fā)明涉及生物大數(shù)據(jù)分析，尤其涉及基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、人類胃腸道微生物群落由大量復(fù)雜的微生物組成，胃腸道微生物在提高宿主免疫力、食物消化、胃腸道內(nèi)分泌功能、神經(jīng)信號調(diào)節(jié)、藥物功能和代謝以及內(nèi)毒素清除等方面扮演重要角色。

2、隨著高通量測序技術(shù)、組學(xué)技術(shù)以及生物大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，利用微生物群體dna或rna等標(biāo)志物，研究胃腸道微生物群落構(gòu)建與演化、分布特征、執(zhí)行群體功能的機(jī)理已成為胃腸道微生物研究中的重點(diǎn)領(lǐng)域。

3、現(xiàn)有技術(shù)在通過高通量測序技術(shù)進(jìn)行微生物功能因子評價(jià)時(shí)忽略了微生物群落功能特征對于確定微生物功能因子的重要價(jià)值，以及微生物功能因子在不同胃腸道環(huán)境中的變化趨勢對于預(yù)測胃腸道環(huán)境變化對微生物群落功能特性影響的重要意義，導(dǎo)致微生物群落功能特性預(yù)測存在準(zhǔn)確率不高的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷與不足，本發(fā)明提供基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)系統(tǒng)及方法，通過微生物群落的功能特征確定其功能因子并構(gòu)建功能因子預(yù)測模型，提升了胃腸道環(huán)境變化對于微生物群落功能特征預(yù)測的可靠性和準(zhǔn)確性。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法，包括下述步驟：

4、提取微生物群落dna并通過高通量測序技術(shù)獲取第一測序數(shù)據(jù)，對所述第一測序數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得第二測序數(shù)據(jù)；

5、基于所述第二測序數(shù)據(jù)評估微生物群落的功能特征指數(shù)；

6、基于所述功能特征指數(shù)確定微生物群落的功能因子；

7、構(gòu)建功能因子預(yù)測模型，通過評估所述功能因子在不同胃腸道環(huán)境條件下的變化趨勢，預(yù)測胃腸道環(huán)境變化對于微生物群落功能特征的影響。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述評估微生物群落的功能特征指數(shù)的步驟進(jìn)一步包括：

9、基于所述第二測序數(shù)據(jù)獲得微生物群落中的微生物信息，所述微生物信息包含微生物種類信息和相對豐度信息；

10、基于所述微生物信息計(jì)算微生物群落的功能多樣性系數(shù)和功能冗余系數(shù)，所述功能冗余系數(shù)的計(jì)算公式如下：

11、；

12、式中表示微生物群落中第個(gè)物種與第個(gè)物種的功能相似性，表示微生物群落中第個(gè)物種的相對豐度，表示微生物群落中第個(gè)物種的相對豐度，表示微生物群落的物種數(shù)量，表示微生物群落的功能冗余系數(shù)；

13、基于所述功能多樣性系數(shù)和所述功能冗余系數(shù)計(jì)算生物群落的所述功能特征指數(shù)，所述功能特征指數(shù)的計(jì)算公式如下：

14、；

15、式中表示微生物群落的功能多樣性系數(shù)，表示微生物群落的功能冗余系數(shù)，表示第一調(diào)節(jié)因子，表示微生物群落的功能特征指數(shù)。

16、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述功能多樣性系數(shù)的計(jì)算公式如下：

17、；

18、式中表示微生物群落中第個(gè)物種的相對豐度，表示微生物群落的物種數(shù)量，表示單態(tài)種數(shù)，表示雙態(tài)種數(shù)，表示第二調(diào)節(jié)因子，表示微生物群落的功能多樣性系數(shù)。

19、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述確定微生物群落的功能因子的步驟進(jìn)一步包括：

20、獲取所述功能特征指數(shù)，基于所述功能特征指數(shù)計(jì)算微生物群落間的功能特征匹配指數(shù)；

21、將所述功能特征匹配指數(shù)大于預(yù)設(shè)功能特征匹配閾值的微生物群落劃分為微生物功能群；

22、基于所述微生物功能群進(jìn)行功能基因注釋并計(jì)算功能基因相對豐度，將功能基因相對豐度最大的功能基因作為微生物群落的功能因子。

23、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述功能特征匹配指數(shù)的計(jì)算公式如下：

24、；

25、式中表示微生物群落的功能特征指數(shù)，表示微生物群落的功能特征指數(shù)，表示取和中的最大值，表示功能特征匹配指數(shù)。

26、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述構(gòu)建功能因子預(yù)測模型的步驟進(jìn)一步包括：

27、采集歷史數(shù)據(jù)，所述歷史數(shù)據(jù)包含歷史胃腸道環(huán)境數(shù)據(jù)以及對應(yīng)胃腸道環(huán)境條件下所述功能因子的變化趨勢數(shù)據(jù)；

28、對所述歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將數(shù)據(jù)預(yù)處理后的歷史數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集；

29、基于lstm神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建功能因子預(yù)測模型，將所述訓(xùn)練集輸入所述功能因子預(yù)測模型進(jìn)行迭代訓(xùn)練，并通過所述驗(yàn)證集監(jiān)控迭代訓(xùn)練過程；

30、當(dāng)所述功能因子預(yù)測模型在所述測試集上的均方誤差達(dá)到預(yù)設(shè)誤差閾值時(shí)，完成功能因子預(yù)測模型構(gòu)建。

31、在此需要說明的是，這里的第一調(diào)節(jié)因子、第二調(diào)節(jié)因子、預(yù)設(shè)功能特征匹配閾值和預(yù)設(shè)誤差閾值的取值方式為：采集10000組測序數(shù)據(jù)和歷史胃腸道環(huán)境數(shù)據(jù)，對胃腸道環(huán)境變化是否對微生物群落功能特征產(chǎn)生影響進(jìn)行區(qū)分，通過測序數(shù)據(jù)評估微生物群落的功能特征指數(shù)并確定微生物群落的功能因子，將歷史胃腸道環(huán)境數(shù)據(jù)代入功能因子預(yù)測模型中進(jìn)行預(yù)測，將預(yù)測得到的功能因子變化趨勢和區(qū)分結(jié)果同時(shí)導(dǎo)入擬合軟件中，輸出符合區(qū)分結(jié)果區(qū)分準(zhǔn)確率的最優(yōu)第一調(diào)節(jié)因子、第二調(diào)節(jié)因子、預(yù)設(shè)功能特征匹配閾值和預(yù)設(shè)誤差閾值。

32、第二方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)系統(tǒng)，包括：

33、數(shù)據(jù)獲取模塊，用于提取微生物群落dna并通過高通量測序技術(shù)獲取第一測序數(shù)據(jù)，對所述第一測序數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得第二測序數(shù)據(jù)；

34、功能特征指數(shù)評估模塊，用于基于所述第二測序數(shù)據(jù)評估微生物群落的功能特征指數(shù)；

35、功能因子確定模塊，用于基于所述功能特征指數(shù)確定微生物群落的功能因子；

36、預(yù)測模型構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建功能因子預(yù)測模型，通過評估所述功能因子在不同胃腸道環(huán)境條件下的變化趨勢，預(yù)測胃腸道環(huán)境變化對于微生物群落功能特征的影響。

37、第三方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種電子設(shè)備，包括：處理器和存儲(chǔ)器，其中，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有可供處理器調(diào)用的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器通過調(diào)用所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序，執(zhí)行基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法。

38、第四方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，儲(chǔ)存有指令，當(dāng)所述指令在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法。

39、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

40、本發(fā)明首先通過測序數(shù)據(jù)評估微生物群落的功能特征指數(shù)，然后通過微生物群落的功能特征指數(shù)確定微生物群落的功能因子，最后構(gòu)建功能因子預(yù)測模型，通過評估所述功能因子在不同胃腸道環(huán)境條件下的變化趨勢，預(yù)測胃腸道環(huán)境變化對于微生物群落功能特征的影響，提升了胃腸道環(huán)境變化對于微生物群落功能特征預(yù)測的可靠性和準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法，其特征在于，包括下述步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法，其特征在于，所述評估微生物群落的功能特征指數(shù)，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法，其特征在于，所述功能多樣性系數(shù)的計(jì)算公式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法，其特征在于，所述確定微生物群落的功能因子，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法，其特征在于，所述功能特征匹配指數(shù)的計(jì)算公式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法，其特征在于，所述構(gòu)建功能因子預(yù)測模型，包括：

7.基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)系統(tǒng)，其基于權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法實(shí)現(xiàn)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

8.一種電子設(shè)備，包括：處理器和存儲(chǔ)器，其中，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有可供處理器調(diào)用的計(jì)算機(jī)程序；其特征在于，所述處理器通過調(diào)用所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序，執(zhí)行如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法。

9.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，儲(chǔ)存有指令，當(dāng)所述指令在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及生物大數(shù)據(jù)分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于數(shù)據(jù)分析的微生物功能因子評價(jià)系統(tǒng)及方法，該方法的步驟包括：提取微生物群落DNA并通過高通量測序技術(shù)獲取第一測序數(shù)據(jù)，對所述第一測序數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得第二測序數(shù)據(jù)；基于所述第二測序數(shù)據(jù)評估微生物群落的功能特征指數(shù)；基于所述功能特征指數(shù)確定微生物群落的功能因子；構(gòu)建功能因子預(yù)測模型，通過評估所述功能因子在不同胃腸道環(huán)境條件下的變化趨勢，預(yù)測胃腸道環(huán)境變化對于微生物群落功能特征的影響。本發(fā)明通過微生物群落的功能特征確定其功能因子并構(gòu)建功能因子預(yù)測模型，提升了胃腸道環(huán)境變化對于微生物群落功能特征預(yù)測的可靠性和準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：徐寶才,周麗免,楊柳,周凱,扈瑩瑩,倪永升,鄭莎莎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2