Průmyslové a zemědělské chemikálie tiše mění rovnováhu střevních mikrobů

Průmyslové a zemědělské chemikálie tiše mění rovnováhu střevních mikrobů

Rozsáhlá laboratorní studie ukazuje, že široce používané chemikálie dělají víc než jen kontaminaci potravin a vody. Mohou selektivně potlačovat, podporovat a znovu aktivovat střevní bakterie s potenciálními důsledky pro rovnováhu mikrobiomu a antimikrobiální rezistenci.

Ve studii nedávno zveřejněné v časopisepřírodní mikrobiologie,Výzkumníci zjistili, že mnoho zemědělských a průmyslových chemikálií vykazuje antimikrobiální aktivitu proti lidské střevní mikroflórě a může vyvíjet selektivní tlak na střevní bakterie.in vitro.

Synthetic chemicals have become indispensable for industry and agriculture. Industrial and agricultural chemicals enter water and food through agricultural applications, industrial processing or environmental pollution. Contamination of food and water by chemical pollutants exposes the gastrointestinal tract to xenobiotic compounds. Málo se však ví o účincích těchto znečišťujících látek na střevní bakterie v kontrolovaných laboratorních podmínkách nebo o tom, jak mohou ovlivnit mikrobiální zdatnost a soutěživost.

Screening chemických účinků na střevní mikroby

V této studii vědci zkoumali účinky znečišťujících látek na střevní bakterie pomocí ain vitroScreeningový přístup k posouzení inhibice růstu bakterií a účinků selekce. Použili rozsáhlou knihovnu 1076 sloučenin, které se pravděpodobně dostanou do vody a potravy; Knihovna obsahovala průmyslové chemikálie, pesticidy, metabolity pesticidů a sloučeniny, které se zaměřují na organismy, jako jsou pavouci, hlodavci, bakterie, houby a hlístice.

Testování inhibice růstu u 22 střevních kmenů

Vědci zkoumali vliv všech sloučenin v koncentraci 20 μM na růst 22 kmenů střevních bakterií vybraných na základě jejich prevalence a hojnosti ve zdravé střevní mikrobiotě. Bakterie byly pěstovány a monitorovány po dobu 24 hodin; Růst byl měřen jako plocha pod růstovou křivkou. Zásahy inhibice růstu byly definovány jako bakteriálně-chemické interakce, které snížily růst o více než 20 %.

Chemikálie se širokou a úzkou antimikrobiální aktivitou

Tým zjistil, že 168 chemikálií inhibovalo alespoň jeden kmen. Zejména BacteroidalesParabacteroides distasonisbyly nejcitlivějšími taxony, zatímcoAkkermansia muciniphilaAEscherichia colibyly nejméně citlivé. Fungicidy, průmyslové chemikálie a akaricidy byly chemické kategorie s převládající antimikrobiální aktivitou, přičemž přibližně jedna třetina fungicidů a průmyslových chemikálií vykazovala inhibiční účinky. Zatímco většina sloučenin inhibovala několik kmenů, 24 vykazovalo širokou toxicitu a inhibovalo více než třetinu kmenů.

Closantel (antiparazitikum pro hospodářská zvířata), bisfenol AF (BPAF; používaný v plastech), tetrabrombisfenol A (TBBPA; zpomalovač hoření), emamectin benzoát (insekticid), fluazinam (fungicid) a chlordecon (insekticid) patřily mezi sloučeniny se širokospektrální inhibiční aktivitou. Navíc 150 bakteriálně-chemických interakcí ukázalo inhibici růstu o více než 90 %, což ukazuje na silnou antimikrobiální aktivitu, která může vést ke konkurenčním výhodám nebo ztrátám mezi střevními mikroby.

Vztahy mezi chemickou citlivostí a četností mikrobiomu

Počet sloučenin ovlivňujících druh pozitivně koreloval s jejich relativním množstvím v lidském mikrobiomu, ale ne s prevalencí. Chemické látky s úzkou nebo širokou aktivitou by proto mohly ovlivnit složení mikrobiomu díky svým účinkům na četné taxony prostřednictvím rozdílné inhibice růstu a selekce. Dále tým zkoumal, jak chemické účinky na úrovni druhu ovlivňují bakteriální společenství. Syntetická, různorodá komunita 20 střevních bakterií byla vystavena TBBPA nebo BPAF, aby se vyhodnotily reakce na úrovni komunity.

Reakce na úrovni Společenství na BPAF a TBBPA

Změny složení vyvolané BPAF však byly v souladu s účinky monokulturyEubacterium rectaleAFusobacterium nucleatumbyli chráněni v komunitě, i když byli zranitelní v izolaci. S TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicronovládli komunitu navzdory tomu, že jsou zranitelní v monokulturách, což ukazuje, jak může kontext komunity změnit výsledky fitness pod chemickým tlakem. Dále vědci zkoumali mechanismy interakce u druhů řádu Bacteroidales kvůli jejich vysoké citlivosti na znečišťující látky.

Knihovna transposonových mutantů pro identifikaci tolerančních genů

Knihovna mutantů transpozonu (Tn) zParabacteroides merdaekterý obsahuje Tn inzerční mutanty ve více než 3 000 neesenciálních genech, byl použit k identifikaci genů, které modulují vliv xenobiotik na bakteriální zdatnost. Soutěžní test byl proveden proti 10 chemikáliím. Closantel, emamectin benzoát, fluazinam, TBBPA, imazalil sulfát a BPAF byly testovány v koncentraci ≤ 20 μM, zatímco glyfosát, kyselina perfluorononanová (PFNA), kyselina perfluoroktanová a propikonazol byly testovány v koncentraci ≥ 20 μM.

Kultury naočkované knihovnou mutantů byly pěstovány do časné stacionární fáze a sekvenování Tn s čárovým kódem bylo použito ke kvantifikaci selekce mutant Tn pod chemickým stresem. BPAF, closantel a TBBPA prokázaly nejsilnější účinky při výběru knihovny mezi testovanými látkami při ≤ 20 μM. Navíc 500 μM PFNA vykazovalo celkově nejvíce zásahů, zatímco 50 μM glyfosát, 20 μM PFNA a 20 μM kyselina perfluoroktanová nepřinesly významné zásahy.

Identifikovány mechanismy regulace efluxu a rezistence

Nejsilnější selekce byla pozorována u closantelu, přičemž více než 90 % mutantů Tn neslo inzerce přes >20 různých pozic v genu NQ542_01170, který kóduje regulátor transkripce homologní s acrR, efluxním represorem.Bacteroides uniformis. Ztráta tohoto regulátoru zvýšila toleranci k více znečišťujícím látkám a také vedla ke zvýšené rezistenci vůči antibiotiku ciprofloxacin, což zvýraznilo možné souvislosti mezi expozicí znečišťujícím látkám a rezistencí vůči antibiotikům prostřednictvím sdílené tolerance a efluxních cest. Některé mutanty transportéru Tn vykazovaly širokou citlivost na znečišťující látky, což naznačuje společné mechanismy tolerance mezi nimiP. merdae.

Zachované dráhy tolerance polutantů u Bacteroidales

Další vyšetřování mutantůB. thetaiotaomikronPříslušnost ke vzdálené rodiněP. merdaeodhalil společné reakce mezi těmito dvěma druhy a podpořil konzervované mechanismy (např. efluxní cesty) tolerance polutantů napříč řádem. navícP. merdaeU většiny testovaných sloučenin ovlivňujících bakteriální růst a metabolickou výkonnost byly zásahy mutantního genu inzerce Tn obohaceny o různé metabolické dráhy.

Výběr metabolických drah řízený polutanty

Dvacetimikromolární selekce TBBPA ukázala významné obohacení Tn mutantů v dráze degradace aminokyselin s rozvětveným řetězcem (BCAA). Katabolický genový shluk porA (podílený na degradaci BCAA na mastné kyseliny s krátkým řetězcem) také vykázal pozitivní selekci pod 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF a 500 μM PFNA. Mutanty se ztrátou funkce Tn inzerce genů sekundárního metabolismu, NQ542_07535–55, vykazovaly pozitivní selekci pod 500 μM PFNA.

Dalekosáhlé důsledky pro zdatnost a vývoj mikrobiomu

Celkem studie identifikovala 588 inhibičních interakcí mezi 168 chemikáliemi a lidskými střevními bakteriemi, z nichž většina dříve neměla žádné antibakteriální vlastnosti. Největší vliv měly průmyslové chemikálie a fungicidy. Regulace efluxních čerpadel byla mezi nimi konzervovaným mechanismemB. thetaiotaomikronAP. merdaeTo formuje toleranci a konkurenceschopnost při chemické zátěži.

Genetický výběr vP. merdaebyl obohacen o biosyntetické a katabolické geny. Mutace se ztrátou funkce v genech kódujících enzymy zapojené do sekundárních metabolitů poskytly růstovou výhodu a zvýšily možnost, že expozice chemickým polutantům by mohla ovlivnit selekční krajinu ve střevě, což by mohlo změnit cesty interakce hostitel-mikrobiom. Pokusy však byly provedenyin vitrov definovaných koncentracích a jsou nutné další in vivo a epidemiologické studie, aby se zjistilo, zda se podobné účinky vyskytují za podmínek skutečné expozice u lidí, a aby se definovaly příslušné úrovně expozice.

Zdroje: