EPFL 和索邦大学的科学家提出了一种肠道细菌多样性和进化的新模型，该模型显示了肠道环境如何帮助中性突变变得普遍，对健康和代谢疾病具有重大的潜在影响。
EPFL 生命科学学院的 Anne-Florence Bitbol 教授说：“我们习惯于将进化视为一个非常缓慢的过程，大型哺乳动物等绝对是这种情况。” “但病毒进化得相当快，正如 变体的快速连续向我们展示的那样。细菌在中间时间尺度上进化，而我们肠道中的细菌可以在与我们相关的时间尺度上进化。”
肠道细菌的突变和进化，可以显着影响公众健康;一个明显的例子是抗生素耐药性。因此，许多研究都在研究影响肠道细菌进化的因素，一些研究已经指出了肠道的实际结构，包括它的流体动力流动，它导致食物和细菌浓度在整个长度上的不同梯度。
一种新的肠道模型
与索邦大学的 Darka Labavić 和 Claude Loverdo 合作，Bitbol 现在开发了一个肠道细菌突变和进化的“最小模型”，为肠道内部流动如何影响基因库的分布提供了一些敏锐的见解。该研究发表在PNAS上。
“我们的模型表明，具有流体动力学和浓度梯度的肠道特定空间结构可以显着增加中性突变体达到高比例并最终接管种群的可能性，”Bitbol 说。这些中性突变体是指经历对生长速率没有影响的突变的细菌，或者至少它们的影响在整个细菌种群的背景下可以忽略不计。
“由于肠道环境大大增加了中性突变体的预期平均比例，与标准的混合种群相比，它也增加了它们最终接管种群的能力，”Bitbol 说。“因此，肠道的特定环境增强了中性细菌的多样性。”
肠道健康和疾病的中性突变
但是中性突变体在肠道中的流行意味着什么?“这意味着更大比例的随机出现的突变体可以达到重要的部分，而不是迅速消失，”Bitbol 解释说。“这可以增加肠道微生物群的多样性以及适应环境变化的能力。而且由于肠道微生物群的组成会影响新陈代谢，这可能对新陈代谢产生间接影响。”
这些发现也可能对我们如何治疗代谢性疾病(如炎症性肠病)产生影响。“一个关键点是，我们预测的多样性和适应性的增加与结肠中食物和细菌浓度的强烈梯度的存在密切相关，”Bitbol 说。“小肠中的细菌浓度远低于结肠，所以在结肠的入口处，食物多，细菌少。”
“但在肠道深处，细菌已经吃掉了食物并繁殖，所以食物更少但细菌更多。如果这些梯度较弱，那么我们模型预测的多样性增强也会减弱。如果流速可能会发生这种情况肠道变化或肠道肌肉的收缩变得更强或更弱。因此可能与炎症性肠病等代谢紊乱有关。了解这些影响可能是学习改变它们以改善这些状况的第一步。”
下一步
Bitbol 已经计划跟进这项研究以回答其他问题。“到目前为止，为了简单起见，我们一直在研究中性突变体，但调查有益突变体——那些提高生长速度的突变体——和有害突变体——那些降低生长速度的突变体——将非常有趣，并将给出更完整的图景。 “肠道空间结构对肠道细菌进化的影响。要逐步提高模型的真实性，还有很多工作要做。”
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