Индустриалните и селскостопански химикали тихо променят баланса на чревните микроби

Индустриалните и селскостопански химикали тихо променят баланса на чревните микроби

Мащабно лабораторно изследване показва, че широко използваните химикали не само замърсяват храната и водата. Те могат селективно да потискат, стимулират и пренавиват чревните бактерии, с потенциални последици за баланса на микробиома и антимикробната резистентност.

В проучване, публикувано наскоро в спестествена микробиология,Изследователите отбелязват, че много селскостопански и индустриални химикали проявяват антимикробна активност срещу човешката чревна микробиота и могат да упражняват селективен натиск върху чревните бактерииин витро.

Синтетичните химикали са станали незаменими за промишлеността и селското стопанство. Индустриалните и селскостопански химикали навлизат във водата и храните чрез селскостопански приложения, промишлена обработка или замърсяване на околната среда. Замърсяването на храната и водата с химически замърсители излага стомашно-чревния тракт на ксенобиотични съединения. Въпреки това, малко се знае за ефектите на тези замърсители върху чревните бактерии при контролирани лабораторни условия или как те могат да повлияят на микробната годност и конкуренцията.

Скрининг на химическите ефекти върху чревните микроби

В настоящото проучване изследователите изследват ефектите на замърсителите върху чревните бактерии, използвайки aин витроПодход за скрининг за оценка на инхибирането на бактериалния растеж и ефектите на селекция. Те са използвали обширна библиотека от 1076 съединения, които е вероятно да попаднат във вода и храна; Библиотеката включва индустриални химикали, пестициди, пестицидни метаболити и съединения, които са насочени към организми като паяци, гризачи, бактерии, гъбички и нематоди.

Тестване на инхибирането на растежа при 22 чревни щама

Изследователите изследват влиянието на всички съединения при 20 μM върху растежа на 22 чревни бактериални щама, избрани въз основа на тяхното разпространение и изобилие в здравата чревна микробиота. Бактериите се отглеждат и наблюдават в продължение на 24 часа; Растежът се измерва като площта под кривата на растеж. Ударите на инхибиране на растежа се определят като бактериално-химични взаимодействия, които намаляват растежа с повече от 20%.

Химикали с широка и тясна антимикробна активност

Екипът установи, че 168 химикала инхибират поне един щам. Особено BacteroidalesParabacteroides distasonisбяха най-чувствителните таксони, докатоAkkermansia muciniphilaИЕшерихия колибяха най-малко чувствителни. Фунгицидите, промишлените химикали и акарицидите са химичните категории с преобладаваща антимикробна активност, като приблизително една трета от фунгицидите и промишлените химикали проявяват инхибиращ ефект. Докато повечето съединения инхибират няколко щама, 24 показват широка токсичност, инхибирайки повече от една трета от щамовете.

Клозантел (противопаразитно средство за добитък), бисфенол AF (BPAF; използван в пластмаси), тетрабромобисфенол А (TBBPA; забавител на горенето), емамектин бензоат (инсектицид), флуазинам (фунгицид) и хлордекон (инсектицид) са сред съединенията с широкоспектърна инхибиторна активност. В допълнение, 150 бактериално-химични взаимодействия показват инхибиране на растежа с повече от 90%, което показва силна антимикробна активност, която може да доведе до конкурентни предимства или загуби между чревните микроби.

Връзки между химическата чувствителност и изобилието на микробиома

Броят на съединенията, засягащи даден вид, корелира положително с относителното им изобилие в човешкия микробиом, но не и с разпространението. Следователно, химикали с тясна или широка активност могат да повлияят на състава на микробиома поради тяхното въздействие върху многобройни таксони чрез различно инхибиране на растежа и селекция. След това екипът изследва как химическите ефекти на ниво вид влияят на бактериалните общности. Синтетична, разнообразна общност от 20 чревни бактерии беше предизвикана с TBBPA или BPAF, за да се оценят отговорите на ниво общност.

Отговори на ниво общност на BPAF и TBBPA

Въпреки това, промените в състава, предизвикани от BPAF, са в съответствие с монокултурните ефектиEubacterium rectaleИFusobacterium nucleatumса били защитени в общността, въпреки че са били уязвими в изолация. С TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicronдоминираха в общността, въпреки че бяха уязвими в монокултури, демонстрирайки как контекстът на общността може да промени резултатите от фитнеса под химически натиск. След това изследователите изследват механизмите на взаимодействие при видове от разред Bacteroidales поради тяхната висока чувствителност към замърсители.

Транспозонова мутантна библиотека за идентифициране на гени на толерантност

Транспозон (Tn) мутантна библиотека отParabacteroides merdaeкойто съдържа Tn инсерционни мутанти в над 3000 несъществени гена, беше използван за идентифициране на гени, които модулират влиянието на ксенобиотиците върху бактериалната годност. Беше проведен състезателен тест срещу 10 химикала. Клозантел, емамектин бензоат, флуазинам, TBBPA, имазалил сулфат и BPAF бяха тествани при ≤20 μM, докато глифозат, перфлуорононанова киселина (PFNA), перфлуорооктанова киселина и пропиконазол бяха тествани при ≥20 μM.

Култури, инокулирани с мутантната библиотека, се отглеждат до ранна стационарна фаза и се използва секвениране с баркод на Tn за количествено определяне на селекцията на Tn мутанти при химичен стрес. BPAF, клозантел и TBBPA показаха най-силни ефекти при селекцията на библиотека сред тестваните вещества при ≤ 20 μM. Освен това, 500 μM PFNA показа най-много попадения като цяло, докато 50 μM глифозат, 20 μM PFNA и 20 μM перфлуорооктанова киселина не дадоха значителни попадения.

Идентифицирани механизми за регулиране на ефлукса и резистентност

Трябва да се отбележи, че най-силната селекция е наблюдавана за клозантел, с над 90% от Tn мутанти, носещи инсерции през >20 различни позиции в гена NQ542_01170, който кодира транскрипционен регулатор, хомоложен на acrR, ефлукс репресорBacteroides uniformis. Загубата на този регулатор увеличи толерантността към множество замърсители и също така доведе до повишена резистентност към антибиотика ципрофлоксацин, подчертавайки възможните връзки между излагането на замърсители и антибиотичната резистентност чрез споделена толерантност и пътища на ефлукс. Някои транспортни Tn мутанти показват широка чувствителност към замърсители, което предполага общи механизми на толерантност сред тяхP. merdae.

Запазени пътища на толерантност към замърсители в Bacteroidales

Допълнителни изследвания на мутанти наБ. тетаиотаомикронПринадлежност към далечно семействоP. merdaeразкриват общи реакции между двата вида и поддържат запазени механизми (напр. Ефлуксни пътища) на толерантност към замърсители в целия ред. Освен това,P. merdaeЗа повечето тествани съединения, засягащи бактериалния растеж и метаболитната ефективност, Tn вмъкнати мутантни гени са обогатени в различни метаболитни пътища.

Контролиран от замърсителите избор на метаболитни пътища

Селекцията на двадесет микромола TBBPA показа значително обогатяване на Tn мутанти в пътя на разграждане на аминокиселините с разклонена верига (BCAA). Катаболитният генен клъстер porA (участващ в разграждането на BCAA до късоверижни мастни киселини) също показва положителна селекция при 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF и 500 μM PFNA. Мутанти за вмъкване на Tn със загуба на функция на гени за вторичен метаболизъм, NQ542_07535–55, показват положителна селекция при 500 μM PFNA.

Дългообхватни последици за годността и еволюцията на микробиома

Общо проучването идентифицира 588 инхибиторни взаимодействия между 168 химикала и човешки чревни бактерии, повечето от които преди това не са имали антибактериални свойства. Индустриалните химикали и фунгицидите имаха най-голямо въздействие. Регулирането на ефлуксните помпи е запазен механизъм между тяхБ. тетаиотаомикронИP. merdaeТова оформя толерантността и конкурентоспособността при химически стрес.

Генетична селекция вP. merdaeе обогатен с биосинтетични и катаболни гени. Мутациите на загуба на функция в гени, кодиращи ензими, участващи във вторични метаболити, осигуряват предимство на растежа и повишават възможността излагането на химически замърсители да повлияе на селекционния пейзаж в червата, което може да промени пътищата на взаимодействие гостоприемник-микробиом. Експериментите обаче бяха проведениин витропри определени концентрации и са необходими допълнителни in vivo и епидемиологични проучвания, за да се определи дали подобни ефекти възникват при реални условия на експозиция при хора и да се определят съответните нива на експозиция.

източници: