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Chemostat modeling of Escherichia coli persistence in conventionalized mono-associated and streptomycin-treated mice

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We have previously shown that Escherichia coli BJ4 has similar doubling time in mice that are mono-associated (having only the inoculated E. coli BJ4) or streptomycin-treated (having mainly gram-positive bacteria plus the inoculated E. coli BJ4). We also showed that when the mice were conventionalized (fed cecum homogenate from conventional mice or ones with a complete microbial flora), the introduction of complete flora in both cases increased the in vivo doubling time, while decreasing the colony counts in fecal samples. To determine whether the increase in doubling time could explain the decrease in colony counts, we analyzed our previous results by a chemostat model. The analysis shows that the increasing doubling time alone is sufficient to explain the decrease in colony counts in mono-associated mice, but not in the streptomycin-treated mice. The observed decreasing rate in colony counts in streptomycin-treated mice is slower than predicted. Furthermore, whereas the model predicted a decrease to extinction in both mice, the E. coli persist at a frequency 10-80 times higher in streptomycin-treated mice than in mono-associated mice. Thus, while a chemostat model is able to explain some of the population dynamics of intestinal bacteria in mice, additional factors not included in the model are stabilizing the system. Because we find that E. coli declines more slowly and to a higher stabilization frequency in streptomycin-treated mice, which have a more diverse flora before conventionalization, we take these results to suggest that the persistence of E. coli populations is promoted by species diversity. We propose that a mechanism for the persistence may be the presence of new E. coli niches created by keystone species in the more diverse flora.Key words: intestinal ecology, intestinal colonization, chemostat, keystone species, conventionalization.

Nous avons démontré précédemment que Escherichia coli BJ4 présente un temps de génération semblable dans des souris mono-associées (n'ayant que l'E. coli inoculé BJ4) ou traitées à la streptomycine (ayant principalement des bactéries gram positives et l'E. coli inoculé BJ4). Nous avons également montré que lorsque ces souris étaient «conventionalisées» (nourries d'homogénats de caecum de souris conventionnelles ou ayant une microflore complète), l'introduction d'une flore complète dans les deux cas augmentait le temps de génération in vivo, tout en diminuant les comptes de colonies dans les échantillons de selles. Nous avons analysés nos résultats antérieurs dans un modèle de chémostat afin de déterminer si l'augmentation du temps de génération pouvait expliquer à elle seule la diminution des comptes de colonies. L'analyse montre que l'accroissement du temps de génération seul est suffisant pour expliquer la diminution des comptes de colonies chez les souris mono-associées, mais non chez les souris traitées à la streptomycine. La décroissance progressive des comptes de colonies observées chez les souris traitées à la streptomycine est plus lente que prévu. Qui plus est, alors que le modèle prévoyait un diminution jusqu'à extinction dans les deux types de souris, la E. coli persiste à une fréquence 10-80 fois supérieure chez les souris traitées à la streptomycine comparativement aux souris mono-associées. Donc, bien que le modèle de chémostat soit capable d'expliquer certaines des dynamiques de population des bactéries intestinales chez la souris, des facteurs supplémentaires non inclus dans le modèle stabilisent le système. Nous constatons que E. coli décline plus lentement et atteint une fréquence de stabilisation plus élevée dans des souris mono-associées, qui ont une flore plus diversifiée avant la conventionalisation. Ces résultats nous portent à croire que la persistance de E. coli est encouragée par la diversité des espèces. Nous proposons qu'un mécanisme expliquant une telle persistance serait la présence de nouvelles niches pour E. coli crées par des espèces-clés dans une flore plus diversifiée.Mots clés : écologie intestinale, colonisation intestinale, chemostat, espèces-clé, conventionalisation[Traduit par la Rédaction]

Keywords: chemostat; colonisation intestinale; conventionalisation; conventionalization; espèces-clé; intestinal colonization; intestinal ecology; keystone species; écologie intestinale

Document Type: Research Article

Publication date: 2001-01-01

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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