EPFL 和索邦大學(xué)的科學(xué)家提出了一種腸道細菌多樣性和進化的新模型，該模型顯示了腸道環(huán)境如何幫助中性突變變得普遍，對健康和代謝疾病具有重大的潛在影響。
EPFL 生命科學(xué)學(xué)院的 Anne-Florence Bitbol 教授說：“我們習(xí)慣于將進化視為一個非常緩慢的過程，大型哺乳動物等絕對是這種情況。” “但病毒進化得相當(dāng)快，正如 變體的快速連續(xù)向我們展示的那樣。細菌在中間時間尺度上進化，而我們腸道中的細菌可以在與我們相關(guān)的時間尺度上進化。”
腸道細菌的突變和進化，可以顯著影響公眾健康;一個明顯的例子是抗生素耐藥性。因此，許多研究都在研究影響腸道細菌進化的因素，一些研究已經(jīng)指出了腸道的實際結(jié)構(gòu)，包括它的流體動力流動，它導(dǎo)致食物和細菌濃度在整個長度上的不同梯度。
一種新的腸道模型
與索邦大學(xué)的 Darka Labavi? 和 Claude Loverdo 合作，Bitbol 現(xiàn)在開發(fā)了一個腸道細菌突變和進化的“最小模型”，為腸道內(nèi)部流動如何影響基因庫的分布提供了一些敏銳的見解。該研究發(fā)表在PNAS上。
“我們的模型表明，具有流體動力學(xué)和濃度梯度的腸道特定空間結(jié)構(gòu)可以顯著增加中性突變體達到高比例并最終接管種群的可能性，”Bitbol 說。這些中性突變體是指經(jīng)歷對生長速率沒有影響的突變的細菌，或者至少它們的影響在整個細菌種群的背景下可以忽略不計。
“由于腸道環(huán)境大大增加了中性突變體的預(yù)期平均比例，與標(biāo)準(zhǔn)的混合種群相比，它也增加了它們最終接管種群的能力，”Bitbol 說。“因此，腸道的特定環(huán)境增強了中性細菌的多樣性。”
腸道健康和疾病的中性突變
但是中性突變體在腸道中的流行意味著什么?“這意味著更大比例的隨機出現(xiàn)的突變體可以達到重要的部分，而不是迅速消失，”Bitbol 解釋說。“這可以增加腸道微生物群的多樣性以及適應(yīng)環(huán)境變化的能力。而且由于腸道微生物群的組成會影響新陳代謝，這可能對新陳代謝產(chǎn)生間接影響。”
這些發(fā)現(xiàn)也可能對我們?nèi)绾沃委煷x性疾病(如炎癥性腸病)產(chǎn)生影響。“一個關(guān)鍵點是，我們預(yù)測的多樣性和適應(yīng)性的增加與結(jié)腸中食物和細菌濃度的強烈梯度的存在密切相關(guān)，”Bitbol 說。“小腸中的細菌濃度遠低于結(jié)腸，所以在結(jié)腸的入口處，食物多，細菌少。”
“但在腸道深處，細菌已經(jīng)吃掉了食物并繁殖，所以食物更少但細菌更多。如果這些梯度較弱，那么我們模型預(yù)測的多樣性增強也會減弱。如果流速可能會發(fā)生這種情況腸道變化或腸道肌肉的收縮變得更強或更弱。因此可能與炎癥性腸病等代謝紊亂有關(guān)。了解這些影響可能是學(xué)習(xí)改變它們以改善這些狀況的第一步。”
下一步
Bitbol 已經(jīng)計劃跟進這項研究以回答其他問題。“到目前為止，為了簡單起見，我們一直在研究中性突變體，但調(diào)查有益突變體——那些提高生長速度的突變體——和有害突變體——那些降低生長速度的突變體——將非常有趣，并將給出更完整的圖景。 “腸道空間結(jié)構(gòu)對腸道細菌進化的影響。要逐步提高模型的真實性，還有很多工作要做。”
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