Diurnal variations in digestion and luminal flow determine microbial population dynamics along the human large intestine
Notice bibliographique
Résumé
Abstract The human large intestine harbors a highly dynamic microbial ecosystem in which growing microbes regularly replenish biomass lost via feces. Understanding this population dynamics is biomedically important but remains a significant challenge due to rapid changes in microbial biomass and intestinal fluid flows. Leveraging experimental data on fluid turnover, nutrient supply, and microbial growth, we here derive a biophysical model of population dynamics. We show how the digestion of meals in batches triggers strong fluctuations in fluid movement and bacteria growth along the proximal large intestine. Comparing different model scenarios, we further analyze how the expandable nature of the proximal large intestine, the presence of a pouch-like cecum off major flow paths, and the periodic exit of luminal content via ‘mass movements’ are required in combination to maintain the high microbial population observed in the proximal large intestine. Since the microbial population undergoes several bottlenecks followed by rapid growth each day, the effective population size in the proximal large intestine is small, N e ∼ 10 7 − 10 11 , promoting the fast evolution of microbes. The diurnal fluctuations in flow also hamper the accumulation of slower-growing bacteria and lead to substantial variations in the uptake of fermentation products by the host. Our findings underscore the highly intertwined population dynamics of the gut microbiota, determined by the physics of fluid flow and growth with strong consequences for the microbiome and the host. Significance statement The density of microbial biomass within the large intestine is a key determinant of microbiome-host interactions and their impact on the human body. Studies with animal models have suggested highly intertwined population dynamics with strong variations of microbial densities over time and space. To elucidate the physiological drivers of these spatiotemporal dynamics along the human large intestine, we introduce a biophysical modeling framework that considers at its core the diurnal variation of digestion and fluid flow. Our analysis reveals how nutrient supply and the rapid movement of luminal content cause strong fluctuations in microbial biomass turnover throughout the day. The intertwined dynamics provide the host with ample mechanisms to control the microbiota, suppressing, for example, the emergence of slow-growing cross-feeding microbes.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».