Ученые из EPFL и Сорбонны предлагают новую модель разнообразия и эволюции кишечных бактерий, которая показывает, как среда кишечника способствует распространению нейтральных мутаций, что может иметь серьезные последствия для здоровья и метаболических заболеваний.
«Мы привыкли думать об эволюции как об очень медленном процессе, и это определенно относится к крупным млекопитающим и т. д.», — говорит профессор Энн-Флоренс Битбол из Школы наук о жизни EPFL. «Но вирусы развиваются довольно быстро, как показывает нам быстрая последовательность вариантов COVID-19. Бактерии развиваются в промежуточных временных масштабах, а те, которые присутствуют в нашем кишечнике, могут эволюционировать в соответствующие нам временные масштабы».
Мутация и эволюция кишечных бактерий могут существенно повлиять на здоровье населения; очевидным примером является устойчивость к антибиотикам. Следовательно, было проведено много исследований для выяснения факторов, влияющих на эволюцию кишечных бактерий, а некоторые исследования указали на реальную структуру кишечника, включая его гидродинамический поток, который вызывает различные градиенты концентрации пищи и бактерий по его длине.
Новая модель кишечника
Работая с Даркой Лабавич и Клодом Ловердо из Сорбоннского университета, Битбол разработал «минимальную модель» бактериальной мутации и эволюции в кишечнике, предоставив некоторые подробные сведения о том, как внутренний поток кишечника влияет на распределение генофонда. Исследование опубликовано в PNAS .
«Наша модель демонстрирует, что специфическая пространственная структура кишечника с гидродинамикой и градиентами концентрации может существенно увеличить вероятность того, что нейтральные мутанты достигнут высоких пропорций и в конечном итоге захватят популяцию», — говорит Битбол. Эти нейтральные мутанты относятся к бактериям, которые подвергаются мутациям, не влияющим на скорость роста, или, по крайней мере, их влияние незначительно в контексте всей бактериальной популяции.
«Поскольку среда кишечника сильно увеличивает ожидаемую среднюю долю нейтральных мутантов, это также увеличивает их способность в конечном итоге захватывать популяцию по сравнению со стандартной хорошо смешанной популяцией», — говорит Битбол. «Таким образом, специфическая среда кишечника увеличивает нейтральное бактериальное разнообразие».
Нейтральные мутации в здоровье и заболеваниях кишечника
Но что означает преобладание нейтральных мутантов в кишечнике? «Это означает, что большая часть мутантов, появляющихся случайным образом, может достигать важных фракций, а не быстро вымирать», — объясняет Битбол. «Это может увеличить разнообразие кишечной микробиоты, а также ее способность адаптироваться к изменениям окружающей среды. А поскольку состав кишечной микробиоты может влиять на метаболизм, это может иметь косвенные последствия для метаболизма».
И результаты могут также повлиять на то, как мы лечим метаболические заболевания, такие как воспалительное заболевание кишечника. «Ключевым моментом является то, что прогнозируемое нами увеличение разнообразия и приспособляемости тесно связано с существованием сильных градиентов концентрации пищи и бактерий в толстой кишке», — говорит Битбол. «Концентрация бактерий в тонкой кишке намного ниже, чем в толстой кишке, поэтому на входе в толстую кишку много пищи и меньше бактерий».
«Но дальше по кишечнику бактерии съели пищу и размножились, так что пищи меньше, но больше бактерий. Если эти градиенты слабее, то увеличение разнообразия, которое предсказывает наша модель, также ослабнет. Это может произойти, если скорость потока изменения в кишечнике или сокращения мышц кишечника становятся сильнее или слабее. Таким образом, могут быть возможные связи с метаболическими нарушениями, такими как воспалительные заболевания кишечника. Понимание этих эффектов потенциально может быть первым шагом к обучению их изменению для улучшения таких состояний. ."
