# Functional Redundancy of Human Microbiome and its Implication in Fecal Microbiota Transplantation

> **NIH NIH R01** · BRIGHAM AND WOMEN'S HOSPITAL · 2020 · $894,266

## Abstract

Project Summary 
Commensal  microorganisms  play  critical  roles  in  human  physiology  and  diseases.  Despite  rapidly 
expanding  knowledge  of  the  composition  of  the  human  gut  microbiota,  our  understanding  of  the 
ecological  principles  that  govern  the  assembly  and  resilience  of  the  highly  complex  and  dynamic 
ecosystem of the gut microbiota is rudimentary. This knowledge gap becomes more problematic as new 
approaches  to  modify  the  microbiota,  such  as  fecal  microbiota  transplantation  (FMT),  are  being 
developed  as  therapeutic  interventions.  The  overall  objective  of  the  proposed  studies  is  to  construct  an 
ecological framework to understand the efficacy of FMT in treating recurrent C. difficile infection (rCDI) at 
the  systems  level.  The  central  hypothesis  is  that  the  functional  redundancy  of  the  recipient’s  pre-­FMT 
microbiota  can  be  used  to  predict  the  extent  of  donor  microbiota  engraftment  and  predict  the  efficacy  of 
FMT.  As  a  classical  concept  in  ecology,  functional  redundancy  (FR)  means  that  phylogenetically 
unrelated  species  perform  similar  functions  in  ecosystems  so  that  they  can  be  interchanged  with  little 
impact  on  the  overall  ecosystem  functioning.  The  rationale  for  the  proposed  research  is  that 
understanding the efficacy of FMT in treating rCDI has the potential to translate into better understanding 
of  its  efficacy  in  treating  a  variety  of  other  diseases  associated  with  disrupted  microbiomes.  Guided  by 
strong preliminary data, the central hypothesis will be tested by pursuing three specific aims: 1) Develop 
a  network-­based  method  to  quantify  the  within-­sample  FR  of  human  microbiome  samples.  The 
applicant’s  preliminary  results  suggest  that  the  FR  of  a  microbiome  sample  can  be  calculated  from  its 
taxonomic profile and a reference genomic content network. 2) Develop an ecological framework to study 
the relationship between the FR of a microbial community and its resistance to new species. The working 
hypothesis  is  that  the  higher  the  within-­sample  FR  of  a  microbial  community,  the  more  resistant  it  is 
against species addition, e.g., through FMT. Both ecological modeling/simulations and real data analysis 
will  be  performed  to  verify  this  hypothesis.  3)  Clinical  study  to  test  that  FMT  has  a  lower  efficacy  in 
treating  rCDI  patients  with higher  FR  in  their  pre-­FMT  microbiota.  Stool  samples  from  the  recipients  and 
their  respective  donors  will  be  collected  for  metagenomic  whole  genome  shotgun  sequencing. 
Subsequently,  the  relationships  among  the  FR  of  the  recipients’  pre-­FMT  microbiota,  the  engraftment  of 
donor-­specific species in the recipients’ post-­FMT microbiota, and the FMT efficacy will be quantitatively 
analyzed. The approach is innovative because it shifts focus from specific t...

## Key facts

- **NIH application ID:** 9996465
- **Project number:** 5R01AI141529-02
- **Recipient organization:** BRIGHAM AND WOMEN'S HOSPITAL
- **Principal Investigator:** Yang-Yu LIU
- **Activity code:** R01 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2020
- **Award amount:** $894,266
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2019-08-15 → 2024-07-31

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/9996465

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 9996465, Functional Redundancy of Human Microbiome and its Implication in Fecal Microbiota Transplantation (5R01AI141529-02). Retrieved via AI Analytics 2026-05-23 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/9996465. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*