ABOUT THE SPEAKER
Dan Knights - Computational microbiologist
Dan Knights develops computational methods for doing precision medicine with gut bacterial communities, or microbiomes, and he applies those methods to study human disease.

Why you should listen

Trillions of bacteria live in our guts, protecting us from infection and aiding our digestion, yet these communities are so complex that we need advanced computational methods to study them. In his multidisciplinary research lab, Dan Knights combines expertise in data mining and biology to learn about how modern lifestyles and medical practices are affecting our microbiomes and leading to increases in modern diseases.

Knights received his PhD in computer science from the University of Colorado, followed by a post-doctoral fellowship at Harvard Medical School. He has co-authored more than 70 highly cited articles in top multidisciplinary journals. In 2015 he was named a McKnight Land-Grant Professor by the University of Minnesota. His lab is building a next-generation informatics pipeline for microbiome-targeted drug discovery, linking nutrition and microbial activity to clinical outcomes.

More profile about the speaker
Dan Knights | Speaker | TED.com
TEDMED 2017

Dan Knights: How we study the microbes living in your gut

丹奈 . 特斯: 我們如何研究住在腸道內的微生物?

Filmed:
1,441,842 views

大約有一百兆微生物住在你的腸道中——保護你不受感染、幫助消化和調節你的免疫系統。但當我們身體適應了現代化的生活,就開始失去了一些正常的微生物;同時,腸道缺乏多樣性所引起的相關疾病,在開發中國家正迅速地攀升。計算微生物學家丹奈.特斯分享了一些迷人的發現,比較在開發中國家和在美國的人們,他們體內的微生物群系有何不同,以及對我們的健康有什麼影響?讓我們一起進一步了解體內所住的微生物,和現在有什麼方式來協助恢復和補充這些微生物。
- Computational microbiologist
Dan Knights develops computational methods for doing precision medicine with gut bacterial communities, or microbiomes, and he applies those methods to study human disease. Full bio

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00:12
If I asked you to name名稱 a microbe微生物
that's living活的 in your gut腸道,
0
787
5514
如果我請各位說出一種
住在你腸道中的微生物,
00:18
many許多 of you would probably大概 say E. coli大腸桿菌.
1
6325
3351
許多人可能會說大腸桿菌。
00:21
A lot of people say this.
It's the best-known最有名的 of the gut腸道 microbes微生物.
2
9700
3765
很多人會這麼說。
它是最多人知道的腸道微生物。
00:25
But it turns out that E. coli大腸桿菌
is outnumbered寡不敵眾 in your gut腸道
3
13489
4505
但結果發現,在你的腸道中,
大腸桿菌的數量約只佔
腸道菌的千分之一,
00:30
about a thousand to one
4
18018
2093
00:32
by other species種類, many許多 of which哪一個
you probably大概 haven't沒有 heard聽說 of.
5
20135
2991
而你可能沒有聽過其他這些
數量較多的菌種。
00:35
These are Bacteroides桿菌;
Prevotella普氏菌 is another另一個 example.
6
23150
4581
像是擬桿菌或是普雷沃氏菌。
00:39
Those are the two that dominate支配
the modern現代 human人的 gut腸道.
7
27755
3468
這兩種菌種主宰了現代人的腸道。
00:43
There are about a hundred trillion
microbes微生物 living活的 inside you.
8
31247
4849
大約有一百兆微生物住在你體內。
00:49
We call this your microbiome微生物,
9
37090
3271
我們稱之為你的微生物群系,
00:52
so it's like a little world世界
living活的 inside you --
10
40385
2244
它就像是個住在你體內的小世界——
00:54
actually其實 more like a universe宇宙.
11
42653
1874
其實更像是個宇宙。
00:56
A hundred trillion means手段
if you took a blade of grass
12
44896
3454
一百兆的大小概念是
如果ㄧ片葉片代表住在你
腸道內的每一個微生物,
01:00
and planted種植的 it for every一切 microbe微生物
living活的 in your gut腸道,
13
48374
3125
01:03
that could fill a million百萬 football足球 fields領域.
14
51523
2354
葉片可以填滿一百萬個足球場。
01:05
So it's incredibly令人難以置信 complex複雜.
15
53901
1746
所以它非常複雜。
01:07
But interestingly有趣,
16
55671
1816
但有趣的是,
01:09
as our bodies身體 have been adapting適應
to life in modern現代 society社會,
17
57511
4433
隨著我們的身體
適應現代社會的生活,
01:13
we're losing失去 some of our normal正常 microbes微生物,
18
61968
4104
我們也失去了一些正常的微生物,
01:18
and at the same相同 time,
19
66096
2925
且同時,
在全世界的已開發國家中,
01:21
there are quite相當 a few少數 diseases疾病
related有關 to the gut腸道
20
69045
3355
01:24
that are skyrocketing暴漲
in developed發達 nations國家 all around the world世界.
21
72424
5429
有相當多腸道相關的疾病迅速竄升。
01:29
And many許多 of you probably大概 know
someone有人 who suffers患有 from obesity肥胖,
22
77877
4659
在座許多人可能認識
有下列狀況的人:肥胖、
01:34
diabetes糖尿病, Crohn's克羅恩 disease疾病
or ulcerative潰瘍 colitis結腸 炎,
23
82560
3961
糖尿病、克隆氏症或潰瘍性結腸炎、
01:38
allergies過敏 and asthma哮喘.
24
86545
1895
過敏及氣喘。
01:40
Every一切 one of these diseases疾病
25
88464
1365
所有這些疾病
01:41
and many許多 others其他 related有關 to metabolism代謝
and autoimmunity自身免疫
26
89853
4247
以及許多其他和新陳代謝
及自體免疫相關的疾病
01:46
are linked關聯 to a loss失利
of healthy健康 diversity多樣 in the gut腸道.
27
94124
5119
都和腸道中失去了
健康多樣性的細菌有關。
01:52
My lab實驗室 got our first indication跡象 of this
28
100081
2191
我的實驗室最初會發現這個現象,
01:54
when actually其實 we were studying研究
non-human非人類的 primates靈長類動物.
29
102296
3770
其實是因為我們正在
研究非人類的靈長類。
01:58
We wanted to find out what happens發生
to a monkey's猴子的 microbiome微生物
30
106090
5131
我們想要找出猴子
從叢林搬到動物園之後,
02:03
when they move移動 from the jungle叢林 to a zoo動物園.
31
111245
4039
牠們的微生物群系會發生什麼事。
牠們的微生物群系會改變嗎?
牠們有得到新的菌種嗎?
02:08
Does their microbiome微生物 change更改?
Do they pick up new bugs蟲子?
32
116166
2572
02:10
Do they lose失去 some?
Does it get better or worse更差?
33
118762
2741
還是牠們失去一些?
這樣是好或不好?
02:13
We tracked追踪 two different不同
species種類 in the jungle叢林,
34
121527
3514
我們在叢林中追蹤兩種不同的物種,
02:17
one in Vietnam越南, one in Costa哥斯達黎加 Rica哥斯達黎加,
35
125065
3610
一種在越南,另一種在哥斯大黎加,
02:20
and then we sequenced測序
the DNA脫氧核糖核酸 from their stool糞便.
36
128699
2881
我們從牠們的糞便
取得 DNA 來做定序。
02:23
This is how we study研究 the microbiome微生物
in my research研究 lab實驗室.
37
131604
3541
在我的研究實驗室中,
就是這樣研究微生物群系的。
02:27
And what we found發現 in the DNA脫氧核糖核酸
is that in the wild野生,
38
135169
4112
我們從 DNA 發現,
野外這兩個物種體內的
微生物群組完全不同。
02:31
these two species種類 had
totally完全 different不同 sets of microbes微生物.
39
139305
3961
02:35
It was like a fingerprint指紋 for the species種類.
40
143290
2612
它就像是那些物種的指紋。
02:37
But in the zoo動物園, they had lost丟失
most of that diversity多樣
41
145926
5165
但在動物園中,
牠們的多樣性卻少了大半,
02:43
and had acquired後天
some other set of microbes微生物.
42
151115
2531
還取得了其他的微生物群組。
02:46
So this was very curious好奇.
43
154379
3348
這非常讓人好奇。
02:49
We've我們已經 got these two different不同 microbiomes微生物組.
44
157751
2009
我們有這兩種不同的微生物群系。
02:51
In the wild野生, picture圖片 a lush青蔥的
tropical熱帶 rainforest雨林
45
159784
4158
想像一個蒼翠繁茂的熱帶雨林,
02:55
living活的 the guts膽量 of these monkeys猴子.
46
163966
2469
就居住在這些野外猴子的腸道中。
02:58
That's the kind of diversity多樣
that we're talking about.
47
166459
2540
我們在談的多樣性就類似這樣。
03:01
Then in the zoo動物園, they've他們已經 lost丟失 diversity多樣.
48
169023
2626
而在動物園,
牠們就失去了多樣性。
03:04
Picture圖片 a rainforest雨林
that's been burned to the ground地面
49
172298
3572
想像一個被燒毀的雨林,
03:07
and taken採取 over by a few少數 invasive侵入的 species種類.
50
175894
2340
只被幾種入侵的物種佔據。
03:11
That's more like the microbiome微生物
in a captive俘虜 primate靈長類動物.
51
179105
3801
那就像是被關起來的
靈長類的微生物群系。
03:15
Now, in the meantime與此同時,
52
183955
1237
同時,
03:17
many許多 of the animals動物 in the zoo動物園
are not doing so well.
53
185216
2627
動物園中有許多動物的
狀況沒有很好。
03:19
They have issues問題 with obesity肥胖,
54
187867
2906
牠們遇到的問題包括肥胖、
03:22
wasting浪費,
55
190797
1336
消瘦、
03:24
gastroenteritis胃腸炎, diarrhea腹瀉, bloating腹脹,
56
192157
3049
胃腸炎、腹瀉、脹氣,
03:27
and some of them were barely僅僅
holding保持 onto their lives生活.
57
195230
2809
有些動物幾乎無法活下去。
03:31
Now, of course課程, we were
very interested有興趣 to find out
58
199073
3588
當然,我們非常想要找出
03:34
what are these so-called所謂 invasive侵入的 species種類
that are taking服用 over in the zoo動物園.
59
202685
4354
在動物園中這些所謂的
入侵菌種到底是什麼。
03:39
So we went back to the DNA脫氧核糖核酸,
and what the DNA脫氧核糖核酸 told us
60
207899
2889
所以我們又回到 DNA,
而 DNA 告訴我們
03:42
is that every一切 monkey in the zoo動物園
61
210812
4503
動物園中的每一隻猴子
03:47
had become成為 dominated佔主導地位
by Bacteroides桿菌 and Prevotella普氏菌,
62
215339
5168
都被擬桿菌與普雷沃氏菌所主宰,
03:52
the same相同 microbes微生物 that we all have
in our guts膽量 as modern現代 humans人類.
63
220531
4381
我們現代人的腸道中
也都有同樣的這些微生物。
03:59
We wanted to find a way to visualize想像 this,
64
227050
2893
我們想以圖像呈現出這個結果,
04:01
and we used some tools工具
from multivariate多元 ecology生態
65
229967
3940
所以我們用了一些
多變量生態學的工具,
04:05
to put all of the microbiomes微生物組
we were studying研究 onto an axis.
66
233931
4412
把所有我們在研究的
微生物群系放到一個軸上。
04:10
And what you're seeing眼看 here
is a distance距離 plot情節
67
238367
4070
各位現在看見的是一張距離圖,
04:14
where every一切 point
is a different不同 animal's動物 microbiome微生物.
68
242461
4905
圖上的每一點代表著
不同動物的微生物群系。
04:19
So every一切 point represents代表
a whole整個 zoo動物園 of microbes微生物.
69
247390
2793
所以每一個點都代表
整個動物園的微生物。
04:23
And the microbiomes微生物組
that have a lot of microbes微生物 in common共同
70
251207
3856
微生物越相似的微生物群系,
它們在圖上的距離就會越接近彼此。
04:27
are close to each other.
71
255087
1413
04:28
The ones那些 that are very different不同
are farther更遠 apart距離.
72
256524
2448
反之,則會離越遠。
04:30
So this is showing展示 you
73
258996
1517
這張圖是要讓各位看看
04:32
that the two groups of wild野生 monkeys猴子
are over on the left.
74
260537
5698
兩群野生猴子的點都落在圖的左側。
04:38
The top最佳 left are these
highly高度 endangered瀕危 monkeys猴子
75
266259
3772
左上角是嚴重瀕臨絕種的猴子,
04:42
called the red-shanked紅被捅 doucdouc in Vietnam越南.
76
270055
2973
是越南的白臀葉猴。
04:45
And at the bottom底部 left
are monkeys猴子 from Costa哥斯達黎加 Rica哥斯達黎加.
77
273052
3631
左下角則是在哥斯大黎加的猴子。
04:49
So you can see that they have
totally完全 different不同 microbiomes微生物組 in the wild野生.
78
277481
3444
各位可以看見,野外的猴子
有著迥然不同的微生物群系。
04:52
And then the same相同 two species種類
of monkey in the zoo動物園 are converging收斂,
79
280949
5397
而同樣是這兩種猴子,
在放入動物園後卻變得很相似,
04:58
so their microbiomes微生物組 change更改
80
286370
1882
所以牠們的微生物群系會變,
05:00
and they become成為
much more similar類似 to each other,
81
288276
3220
彼此變得更相似,
05:03
even though雖然 these are zoos動物園
on different不同 continents大陸,
82
291520
2673
即使牠們所屬的動物園
位在不同的大陸,
05:06
different不同 geographical地理 regions地區,
and they're eating different不同 diets飲食.
83
294217
3342
不同的地理區,
牠們還吃不同的食物。
05:09
Now, we did study研究
some other species種類 of primate靈長類動物.
84
297583
3161
我們的確也研究了其他靈長類物種。
05:12
What species種類 of primate靈長類動物
do you think is even more divergent發散
85
300768
5739
你們認為哪種靈長類的差異性
比起動物園和野生靈長類的
差異性更大?
05:18
from the wild野生 primates靈長類動物
than the captive俘虜 primates靈長類動物?
86
306531
3666
05:24
Modern現代 humans人類.
87
312665
1429
現代人類。
05:27
These are humans人類
living活的 in developing發展 nations國家.
88
315049
3483
這些是住在開發中國家的人。
05:30
So they were more different不同
from the wild野生 primates靈長類動物
89
318556
3143
和在動物園中的靈長類相比,
他們和野生靈長類的差異更大。
05:33
than those in the zoo動物園.
90
321723
1921
05:35
And the final最後 group that we studied研究,
all the way on the right,
91
323668
5381
我們研究的最後一個族群,
在圖的最右邊,
05:41
is people living活的 in the USA美國.
92
329073
1944
就是住在美國的人。
05:44
And when I saw this figure數字,
93
332033
2848
當我看到這張圖,
05:46
the hairs raised上調 up
on the back of my neck頸部,
94
334905
3101
讓我寒毛直豎,
05:50
because one way to think about it is,
"Oh, that's interesting有趣,
95
338030
3087
因為對這現象的一種思考方式是:
「喔,好有趣,
05:53
captive俘虜 monkeys猴子 are sort分類 of on their way
to becoming變得 like Americans美國人."
96
341141
3944
被關起來的猴子漸漸
變得和美國人一樣了。」
05:57
(Laughter笑聲)
97
345109
1087
(笑聲)
05:58
But the other way to think about it
98
346220
2396
但另一種思考方式是
06:00
is that Americans美國人
are like super-captive超級俘虜 monkeys猴子.
99
348640
3349
美國人就像是被關過頭的猴子。
06:04
And I was actually其實 looking
at this figure數字 on my computer電腦 screen屏幕
100
352671
4698
當我在我的電腦螢幕上
看著這張圖時,
06:09
when I got the news新聞
that four of the red-shanked紅被捅 doucsdoucs
101
357393
4928
我聽到一個消息,
動物園中有四隻白臀葉猴
06:14
had died死亡 in the zoo動物園 of gut-related腸道相關 issues問題.
102
362345
3104
死於腸道相關疾病。
06:17
So for some of these animals動物,
103
365473
1968
所以對這些動物園的動物而言,
06:19
having the right microbes微生物
living活的 inside them
104
367465
2698
體內是否有對的微生物,
06:22
may可能 be a matter of survival生存.
105
370187
1970
可能是生死攸關的事。
06:24
Now this brings帶來 us
to the human人的 part部分 of the story故事.
106
372181
3507
所以接下來就要談到
關於人類的部分了。
06:27
Obviously明顯, the microbiomes微生物組 in the USA美國
107
375712
3215
很顯然,在美國的微生物群系
06:30
aren't causing造成 premature過早 death死亡
as frequently經常 as in the zoo動物園,
108
378951
5501
所造成的過早死亡,
並沒有動物園中那麼頻繁,
06:36
but we have major重大的 risk風險
of obesity肥胖, diabetes糖尿病,
109
384476
4374
但我們有很大的風險,
可能會產生肥胖、糖尿病,
06:40
a number of these other diseases疾病.
110
388874
1897
以及許多其他這類疾病。
06:43
And this applies適用 not just to people
who have been living活的 in the USA美國
111
391133
4420
這不僅適用於已經在美國
住了數個世代的人,
06:47
for many許多 generations,
112
395577
1984
06:49
but also to immigrants移民 and refugees難民,
113
397585
2436
也適用於移民和難民,
06:52
who, for most immigrant移民
and refugee難民 groups,
114
400045
3682
大部分的移民和難民族群
06:55
arrive到達 in the USA美國 metabolically代謝 healthy健康,
115
403751
3101
在抵達美國時,
新陳代謝是很健康的,
06:58
and then within a few少數 years年份,
116
406876
1380
然而短短幾年後,
07:00
they become成為 just as high-risk高風險
for obesity肥胖 and diabetes糖尿病
117
408280
3358
他們卻變成和美國人一樣,
有很高的肥胖和糖尿病風險。
07:03
as other Americans美國人.
118
411662
2081
07:05
And we discussed討論
this issue問題 with two groups
119
413767
3698
我們和兩個族群討論了這個議題,
07:09
that have been coming未來 to the USA美國
from Southeast東南 Asia亞洲:
120
417489
2547
他們是從東南亞來到美國的:
07:12
the Hmong苗族, who started開始 coming未來
in the mid-中-1970s
121
420060
4194
赫蒙族,他們從七○年代中期
07:16
as refugees難民 from the Vietnam越南 War戰爭
and the US secret秘密 war戰爭 in Laos老撾;
122
424278
5500
就以越戰與美寮秘密戰爭的
難民身分來到美國;
07:21
and the Karen卡倫, who have been coming未來
more recently最近 as refugees難民 from Myanmar緬甸.
123
429802
4912
還有克倫族,他們是比較近期
才以緬甸難民的身份到美國。
07:26
So we've我們已經 been working加工 for a few少數 years年份
124
434738
1778
我們花了幾年的時間,
07:28
with these local本地
communities社區 and clinicians臨床醫生
125
436540
2541
和當地的社區和臨床醫生合作,
07:31
to study研究 what happens發生
to the Hmong苗族 and Karen卡倫 microbiomes微生物組
126
439105
5417
研究赫蒙族和克倫族從難民營
和泰國的村落搬到美國之後,
07:36
when people move移動 from refugee難民 camps營地
and villages村莊 in Thailand泰國 to the USA美國.
127
444546
6996
他們的微生物群系產生了什麼變化。
07:44
And what we found發現
128
452314
1564
我們發現
07:45
is that when people
come to the USA美國 from these groups,
129
453902
5711
當這些族群的人來到美國,
07:51
they lose失去 a large fraction分數
of their microbiome微生物,
130
459637
3396
他們失去了很多的微生物群系,
07:56
somewhere某處 around 20 percent百分,
131
464343
1777
大約 20% 上下,
07:58
and those who come to the USA美國
and become成為 obese肥胖
132
466144
4269
而到了美國且變肥胖的人,
08:02
lose失去 about a third第三 of their microbes微生物.
133
470437
1953
少了大約三分之一的微生物。
08:06
So we know that moving移動 to the USA美國
134
474905
1952
所以,我們知道搬到美國
08:08
is sufficient足夠 to cause原因
a dramatic戲劇性 change更改 in your microbiome微生物,
135
476881
3993
就足以造成微生物群系的巨大改變,
08:12
probably大概 not for the better.
136
480898
1769
且可能不是變好。
08:15
Are these microbes微生物
actually其實 causing造成 the obesity肥胖,
137
483571
4858
真的是這些微生物造成了肥胖?
08:20
or is the obesity肥胖 causing造成
a change更改 in the microbes微生物?
138
488453
3460
還是肥胖造成了微生物的改變?
08:23
This is something
that we're following以下 up on,
139
491937
2143
我們後續還在追蹤探究,
08:26
and the evidence證據 we have now in my lab實驗室
140
494104
3642
而將我實驗室中得到的證據
和來自世界各地的實驗室
所發現的證據彙整後,
08:29
combined結合 with evidence證據
from a number of labs實驗室 around the world世界
141
497770
3110
08:32
tells告訴 us that certain某些 changes變化
in the microbiome微生物
142
500904
3072
顯示了微生物群系的某些改變
08:36
do lead to obesity肥胖,
143
504000
2509
的確會導致肥胖
以及其他數種現代西化的疾病。
08:38
and a number of other modern現代,
kind of Westernized西化 diseases疾病.
144
506533
3451
08:43
The good news新聞 is that
your microbiome微生物 can actually其實 change更改.
145
511353
5309
好消息是你的微生物群系
可以被改變。
08:48
Unlike不像 your own擁有 genome基因組,
146
516686
2523
不像你自己的基因組,
08:51
it's a living活的, breathing呼吸 thing,
147
519233
2349
它是活的、會呼吸的生物,
08:53
and there's a broad廣闊 front面前
of research研究 happening事件 right now
148
521606
3531
且現有廣泛大量的研究正在進行,
讓我們更明瞭當我們的
微生物群系發生問題時,
08:57
to better understand理解
how we can restore恢復 our microbiomes微生物組
149
525161
3794
09:00
when something goes wrong錯誤,
150
528979
1603
我們要如何
09:02
using運用 diet飲食,
151
530606
1627
透過飲食、
09:04
using運用 live生活 microbes微生物.
152
532257
2658
透過活的微生物來恢復。
09:06
And in fact事實, one of the next下一個 steps腳步 for us
153
534939
2800
事實上,我們接下來的其中一步,
09:09
is collecting蒐集 and preserving microbes微生物
from healthy健康 people around the world世界
154
537763
4588
就是要收集和保存來自
全世界健康人類的微生物,
09:14
so that they can be kept不停
as cultural文化 assets資產 for those groups
155
542375
5555
將其作為這些族群的文化資產
而予保存下來,
09:19
to potentially可能 protect保護 them
as they adapt適應 to modern現代 society社會,
156
547954
4841
在族群適應現代社會的過程中
提供所需的保護,
09:24
and to protect保護 future未來 generations
157
552819
2454
也可以保護未來的世代,
09:27
who are currently目前 growing生長 up
to have increased增加 risk風險 of these diseases疾病
158
555297
4199
這些世代目前成長的過程中,
得到這些疾病的風險越來越高,
09:31
with every一切 generation.
159
559520
1488
一代比一代高。
09:33
I'm looking forward前鋒 to a future未來
160
561714
2602
我很期待看到在未來
09:36
where we have the tools工具 that we need
to restore恢復 and replenish補充 our microbiomes微生物組,
161
564340
6722
我們會有所需的工具
來恢復和補充我們的微生物群系,
09:43
and in that world世界, the monkeys猴子
will live生活 happier幸福 and healthier健康 lives生活,
162
571562
5269
在那個世界中,猴子能過著
比較快樂、健康的生活,
09:48
and so will we.
163
576855
1421
我們也一樣。
09:51
(Applause掌聲)
164
579831
3676
(掌聲)
Translated by Lilian Chiu
Reviewed by SF Huang

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ABOUT THE SPEAKER
Dan Knights - Computational microbiologist
Dan Knights develops computational methods for doing precision medicine with gut bacterial communities, or microbiomes, and he applies those methods to study human disease.

Why you should listen

Trillions of bacteria live in our guts, protecting us from infection and aiding our digestion, yet these communities are so complex that we need advanced computational methods to study them. In his multidisciplinary research lab, Dan Knights combines expertise in data mining and biology to learn about how modern lifestyles and medical practices are affecting our microbiomes and leading to increases in modern diseases.

Knights received his PhD in computer science from the University of Colorado, followed by a post-doctoral fellowship at Harvard Medical School. He has co-authored more than 70 highly cited articles in top multidisciplinary journals. In 2015 he was named a McKnight Land-Grant Professor by the University of Minnesota. His lab is building a next-generation informatics pipeline for microbiome-targeted drug discovery, linking nutrition and microbial activity to clinical outcomes.

More profile about the speaker
Dan Knights | Speaker | TED.com