Industrie- und Agrarchemikalien verändern still und heimlich das Gleichgewicht der Darmmikroben

Industrie- und Agrarchemikalien verändern still und heimlich das Gleichgewicht der Darmmikroben

Eine groß angelegte Laboruntersuchung zeigt, dass weit verbreitete Chemikalien mehr bewirken, als nur Lebensmittel und Wasser zu verunreinigen. Sie können Darmbakterien selektiv unterdrücken, begünstigen und neu verdrahten, mit potenziellen Folgen für das Mikrobiomgleichgewicht und die antimikrobielle Resistenz.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Naturmikrobiologie, Forscher beobachteten, dass viele landwirtschaftliche und industrielle Chemikalien eine antimikrobielle Aktivität gegen die menschliche Darmmikrobiota aufweisen und selektiven Druck auf Darmbakterien ausüben können in vitro.

Synthetische Chemikalien sind für Industrie und Landwirtschaft unverzichtbar geworden. Industrie- und Agrarchemikalien gelangen über landwirtschaftliche Anwendungen, industrielle Verarbeitung oder Umweltverschmutzung in Wasser und Lebensmittel. Durch die Verunreinigung von Lebensmitteln und Wasser durch chemische Schadstoffe wird der Magen-Darm-Trakt xenobiotischen Verbindungen ausgesetzt. Es ist jedoch wenig über die Auswirkungen dieser Schadstoffe auf Darmbakterien unter kontrollierten Laborbedingungen oder darüber bekannt, wie sie die mikrobielle Fitness und Konkurrenz beeinflussen können.

Screening chemischer Wirkungen auf Darmmikroben

In der vorliegenden Studie untersuchten Forscher die Auswirkungen von Schadstoffen auf Darmbakterien mithilfe eines in vitro Screening-Ansatz zur Beurteilung der Hemmung des Bakterienwachstums und der Selektionseffekte. Sie nutzten eine umfangreiche Bibliothek von 1.076 Verbindungen, die wahrscheinlich in Wasser und Nahrung gelangen; Die Bibliothek umfasste Industriechemikalien, Pestizide, Pestizidmetaboliten und Verbindungen, die auf Organismen wie Spinnen, Nagetiere, Bakterien, Pilze und Nematoden abzielen.

Testen der Wachstumshemmung bei 22 Darmstämmen

Die Forscher untersuchten den Einfluss aller Verbindungen bei 20 μM auf das Wachstum von 22 Darmbakterienstämmen, die aufgrund ihrer Prävalenz und Häufigkeit in der gesunden Darmmikrobiota ausgewählt wurden. Bakterien wurden 24 Stunden lang gezüchtet und überwacht; Das Wachstum wurde als Fläche unter der Wachstumskurve gemessen. Wachstumshemmungstreffer wurden als bakteriell-chemische Wechselwirkungen definiert, die das Wachstum um mehr als 20 % reduzierten.

Chemikalien mit breiter und schmaler antimikrobieller Aktivität

Das Team stellte fest, dass 168 Chemikalien mindestens einen Stamm hemmten. Insbesondere Bacteroidales Parabacteroides distasoniswaren die empfindlichsten Taxa, wohingegen Akkermansia muciniphila Und Escherichia coli waren am unempfindlichsten. Fungizide, Industriechemikalien und Akarizide waren die Chemikalienkategorien mit der vorherrschenden antimikrobiellen Aktivität, wobei etwa ein Drittel der Fungizide und Industriechemikalien hemmende Wirkungen zeigten. Während die meisten Verbindungen einige wenige Stämme hemmten, zeigten 24 eine breite Toxizität und hemmten mehr als ein Drittel der Stämme.

Closantel (ein Antiparasitikum für Nutztiere), Bisphenol AF (BPAF; wird in Kunststoffen verwendet), Tetrabrombisphenol A (TBBPA; ein Flammschutzmittel), Emamectinbenzoat (ein Insektizid), Fluazinam (ein Fungizid) und Chlordecon (ein Insektizid) gehörten zu den Verbindungen mit breitbandiger Hemmwirkung. Darüber hinaus zeigten 150 bakteriell-chemische Wechselwirkungen eine Wachstumshemmung von mehr als 90 %, was auf eine starke antimikrobielle Aktivität hinweist, die zu Wettbewerbsvorteilen oder -verlusten zwischen Darmmikroben führen kann.

Zusammenhänge zwischen chemischer Empfindlichkeit und Mikrobiomhäufigkeit

Die Anzahl der Verbindungen, die eine Art befallen, korrelierte positiv mit ihrer relativen Häufigkeit im menschlichen Mikrobiom, nicht jedoch mit der Prävalenz. Daher könnten Chemikalien mit schmaler oder breiter Aktivität die Zusammensetzung des Mikrobioms aufgrund ihrer Auswirkungen auf zahlreiche Taxa durch unterschiedliche Wachstumshemmung und Selektion beeinflussen. Als nächstes untersuchte das Team, wie sich chemische Effekte auf Artenebene auf Bakteriengemeinschaften auswirken. Eine synthetische, vielfältige Gemeinschaft von 20 Darmbakterien wurde mit TBBPA oder BPAF herausgefordert, um die Reaktionen auf Gemeinschaftsebene zu bewerten.

Reaktionen auf Community-Ebene auf BPAF und TBBPA

BPAF-induzierte Veränderungen der Zusammensetzung stimmten jedoch mit Monokultureffekten überein Eubacterium rectale Und Fusobacterium nucleatum wurden in der Gemeinschaft geschützt, obwohl sie in der Isolation empfindlich waren. Mit TBBPA, Bacteroides thetaiotaomicron dominierten die Gemeinschaft, obwohl sie in Monokulturen anfällig waren, was zeigt, wie der Gemeinschaftskontext die Fitnessergebnisse unter chemischem Druck verändern kann. Als nächstes untersuchten die Forscher die Interaktionsmechanismen bei Arten der Ordnung Bacteroidales aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Schadstoffen.

Transposon-Mutantenbibliothek zur Identifizierung von Toleranzgenen

Eine Transposon (Tn)-Mutantenbibliothek von Parabacteroides merdaedas Tn-Insertionsmutanten in über 3.000 nicht-essentiellen Genen enthält, wurde verwendet, um Gene zu identifizieren, die den Einfluss von Xenobiotika auf die bakterielle Fitness modulieren. Ein Konkurrenztest wurde gegen 10 Chemikalien durchgeführt. Closantel, Emamectinbenzoat, Fluazinam, TBBPA, Imazalilsulfat und BPAF wurden bei ≤ 20 μM getestet, während Glyphosat, Perfluornonansäure (PFNA), Perfluoroctansäure und Propiconazol bei ≥ 20 μM getestet wurden.

Mit der Mutantenbibliothek inokulierte Kulturen wurden bis zur frühen stationären Phase gezüchtet, und die Tn-Sequenzierung mit Strichcode wurde verwendet, um die Selektion von Tn-Mutanten unter chemischer Belastung zu quantifizieren. BPAF, Closantel und TBBPA zeigten bei ≤ 20 μM die stärksten Effekte bei der Bibliotheksauswahl unter den getesteten Substanzen. Darüber hinaus zeigten 500 μM PFNA insgesamt die meisten Treffer, wohingegen 50 μM Glyphosat, 20 μM PFNA und 20 μM Perfluoroctansäure keine signifikanten Treffer ergaben.

Efflux-Regulierung und Resistenzmechanismen identifiziert

Bemerkenswerterweise wurde die stärkste Selektion bei Closantel beobachtet, wobei über 90 % der Tn-Mutanten Insertionen über > 20 verschiedene Positionen im NQ542_01170-Gen trugen, das für einen Transkriptionsregulator kodiert, der zu acrR, einem Efflux-Repressor, homolog ist Bacteroides uniformis. Der Verlust dieses Regulators erhöhte die Toleranz gegenüber mehreren Schadstoffen und führte auch zu einer erhöhten Resistenz gegen das Antibiotikum Ciprofloxacin, was mögliche Zusammenhänge zwischen Schadstoffexposition und Antibiotikaresistenz durch gemeinsame Toleranz- und Effluxwege verdeutlicht. Einige Transporter-Tn-Mutanten zeigten eine breite Schadstoffempfindlichkeit, was auf gemeinsame Toleranzmechanismen bei ihnen schließen lässt P. merdae.

Konservierte Schadstofftoleranzwege in Bacteroidales

Weitere Untersuchungen zu Mutanten von B. thetaiotaomicron Zugehörigkeit zu einer weit entfernten Familie P. merdae enthüllte gemeinsame Reaktionen zwischen den beiden Arten und unterstützte konservierte Mechanismen (z. B. Effluxwege) der Schadstofftoleranz in der gesamten Ordnung. Zusätzlich, P. merdae Für die meisten getesteten Verbindungen, die das Bakterienwachstum und die Stoffwechselleistung beeinflussen, wurden Tn-Insertionsmutanten-Gentreffer in verschiedenen Stoffwechselwegen angereichert.

Schadstoffgesteuerte Auswahl von Stoffwechselwegen

Die zwanzig mikromolare TBBPA-Selektion zeigte eine signifikante Anreicherung von Tn-Mutanten im Abbauweg verzweigtkettiger Aminosäuren (BCAA). Der katabole Gencluster porA (beteiligt am BCAA-Abbau in kurzkettige Fettsäuren) zeigte auch eine positive Selektion unter 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF und 500 μM PFNA. Funktionsverlust-Tn-Insertionsmutanten von Sekundärstoffwechselgenen, NQ542_07535–55, zeigten eine positive Selektion unter 500 μM PFNA.

Weitreichende Implikationen für die Fitness und Evolution des Mikrobioms

Insgesamt identifizierte die Studie 588 hemmende Wechselwirkungen zwischen 168 Chemikalien und menschlichen Darmbakterien, von denen die meisten bisher keine antibakteriellen Eigenschaften hatten. Industriechemikalien und Fungizide hatten den größten Einfluss. Die Regulierung der Effluxpumpen war ein konservierter Mechanismus dazwischen B. thetaiotaomicron Und P. merdae das prägt Toleranz und Wettbewerbsfähigkeit unter chemischer Belastung.

Genetische Selektion in P. merdae wurde mit biosynthetischen und katabolen Genen angereichert. Funktionsverlustmutationen in Genen, die für Enzyme kodieren, die an Sekundärmetaboliten beteiligt sind, stellten einen Wachstumsvorteil dar und erhöhten die Möglichkeit, dass die Exposition gegenüber chemischen Schadstoffen die Selektionslandschaft im Darm beeinflussen könnte, was die Interaktionswege zwischen Wirt und Mikrobiom verändern könnte. Die Experimente wurden jedoch durchgeführt in vitro in definierten Konzentrationen, und weitere In-vivo- und epidemiologische Studien sind erforderlich, um festzustellen, ob ähnliche Auswirkungen unter realen Expositionsbedingungen beim Menschen auftreten, und um relevante Expositionsniveaus zu definieren.

Quellen: