В человеческом организме обитают многочисленные и разнообразные бактерии, большинство из которых находятся в кишечнике. Эти кишечные бактерии развиваются в промежуточных временных масштабах.
Мутация и эволюция кишечных бактерий могут иметь важные последствия для общественного здравоохранения. Большинство исследований было сосредоточено на факторах, влияющих на эволюцию кишечных бактерий. С другой стороны, некоторые исследования указывают на фактическую структуру кишечника, включая его гидродинамический поток.
Ученые из EPFL и Сорбонны предлагают новую модель разнообразия и эволюции кишечных бактерий, которая дает некоторые подробные представления о том, как внутренний поток кишечника влияет на распределение генофонда. Это показывает, что среда кишечника способствует распространению нейтральных мутаций.
Модель показывает, 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.
Профессор Энн-Флоренс Битбол из Школы биологических наук EPFL сказала: “Эти нейтральные мутанты относятся к бактериям, которые подвергаются мутациям, которые не влияют на скорость роста или, по крайней мере, их влияние незначительно в контексте всей бактериальной популяции”.
Среда кишечника сильно увеличивает среднюю долю нейтральных мутантов. Это, в свою очередь, увеличивает их способность захватывать население. В результате специфическая среда кишечника усиливает нейтральное бактериальное разнообразие.
Битбол добавила: “Нейтральные мутанты в кишечнике означают, что большая часть мутантов, которые появляются случайным образом, могут достигать важных фракций вместо быстрого вымирания. Это может увеличить разнообразие микробиоты кишечника и его способность адаптироваться к изменениям окружающей среды. И поскольку состав микробиоты кишечника может влиять на метаболизм, это может иметь косвенные последствия для метаболизма”.
Ключевым моментом является то, что увеличение разнообразия и адаптивности, которое мы прогнозируем, тесно связано с существованием сильных градиентов концентраций пищи и бактерий в толстой кишке. Концентрация бактерий в тонком кишечнике намного ниже, чем в толстой кишке, поэтому у входа в толстую кишку много пищи и меньше бактерий.
Но дальше по кишечнику бактерии съели пищу и размножились, так что пищи меньше, но бактерий больше. Если эти градиенты будут слабее, то усиление разнообразия, которое предсказывает наша модель, также ослабнет. Это может произойти, если скорость потока в кишечнике изменится или если сокращения мышц кишечника станут сильнее или слабее. Таким образом, могут быть возможные связи с нарушениями обмена веществ, такими как воспалительные заболевания кишечника. Понимание этих эффектов потенциально может стать первым шагом на пути к тому, чтобы научиться изменять их для улучшения таких условий.
“До сих пор мы работали над нейтральными мутантами для простоты, но исследование случая полезных мутантов – тех, которые увеличивают скорость роста – и вредных мутантов – тех, которые снижают скорость роста – было бы чрезвычайно интересным и дало бы полную картину влияния пространственной структуры кишечника на эволюцию кишечных бактерий. Также многое предстоит сделать для постепенного повышения реалистичности модели”, — пишут ученые.
