Industrielle og landbrugskemikalier ændrer stille og roligt balancen mellem tarmmikrober

Industrielle og landbrugskemikalier ændrer stille og roligt balancen mellem tarmmikrober

En storstilet laboratorieundersøgelse viser, at meget brugte kemikalier gør mere end blot at forurene mad og vand. De kan selektivt undertrykke, fremme og genskabe tarmbakterier med potentielle konsekvenser for mikrobiombalancen og antimikrobiel resistens.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i tidsskriftetnaturlig mikrobiologi,Forskere observerede, at mange landbrugs- og industrikemikalier udviser antimikrobiel aktivitet mod den menneskelige tarmmikrobiota og kan udøve selektivt pres på tarmbakterierin vitro.

Syntetiske kemikalier er blevet uundværlige for industri og landbrug. Industrielle og landbrugskemikalier kommer ind i vand og fødevarer gennem landbrugsapplikationer, industriel forarbejdning eller miljøforurening. Forurening af mad og vand med kemiske forurenende stoffer udsætter mave-tarmkanalen for fremmedfjendtlige forbindelser. Der er dog lidt kendt om virkningerne af disse forurenende stoffer på tarmbakterier under kontrollerede laboratorieforhold, eller hvordan de kan påvirke mikrobiel fitness og konkurrence.

Screening af kemiske effekter på tarmmikrober

I denne undersøgelse undersøgte forskere virkningerne af forurenende stoffer på tarmbakterier ved hjælp af enin vitroScreeningstilgang til at vurdere bakteriel væksthæmning og selektionseffekter. De brugte et omfattende bibliotek med 1.076 forbindelser, der sandsynligvis vil komme ind i vand og mad; Biblioteket omfattede industrikemikalier, pesticider, pesticidmetabolitter og forbindelser, der er målrettet mod organismer som edderkopper, gnavere, bakterier, svampe og nematoder.

Test af væksthæmning i 22 tarmstammer

Forskerne undersøgte indflydelsen af ​​alle forbindelser ved 20 μM på væksten af ​​22 tarmbakteriestammer udvalgt baseret på deres forekomst og overflod i den sunde tarmmikrobiota. Bakterier blev dyrket og overvåget i 24 timer; Væksten blev målt som arealet under vækstkurven. Væksthæmmende hits blev defineret som bakterie-kemiske interaktioner, der reducerede væksten med mere end 20 %.

Kemikalier med bred og snæver antimikrobiel aktivitet

Holdet fandt ud af, at 168 kemikalier hæmmede mindst én stamme. Især BacteroidalesParabacteroides distasonisvar de mest følsomme taxa, hvorimodAkkermansia muciniphilaOgEscherichia colivar de mindst følsomme. Fungicider, industrikemikalier og acaricider var de kemiske kategorier med den overvejende antimikrobielle aktivitet, hvor cirka en tredjedel af fungiciderne og industrikemikalierne udviste hæmmende virkninger. Mens de fleste forbindelser hæmmede nogle få stammer, viste 24 bred toksicitet, hvilket hæmmede mere end en tredjedel af stammerne.

Closantel (et antiparasitisk middel til husdyr), bisphenol AF (BPAF; brugt i plast), tetrabromobisphenol A (TBBPA; et flammehæmmer), emamectinbenzoat (et insekticid), fluazinam (et fungicid) og chlordecon (et insekticid) var blandt forbindelserne med bredspektret aktivitet. Derudover viste 150 bakterie-kemiske interaktioner væksthæmning på mere end 90%, hvilket indikerer stærk antimikrobiel aktivitet, der kan føre til konkurrencefordele eller tab mellem tarmmikrober.

Forholdet mellem kemisk følsomhed og mikrobiom overflod

Antallet af forbindelser, der påvirker en art, var positivt korreleret med deres relative forekomst i det menneskelige mikrobiom, men ikke med prævalens. Derfor kan kemikalier med snæver eller bred aktivitet påvirke sammensætningen af ​​mikrobiomet på grund af deres virkninger på talrige taxa gennem differentiel væksthæmning og selektion. Dernæst undersøgte holdet, hvordan kemiske effekter på artsniveau påvirker bakteriesamfund. Et syntetisk, mangfoldigt samfund af 20 tarmbakterier blev udfordret med TBBPA eller BPAF for at vurdere responser på samfundsniveau.

Svar på fællesskabsniveau til BPAF og TBBPA

Imidlertid var BPAF-inducerede sammensætningsændringer i overensstemmelse med monokultureffekterEubacterium rectaleOgFusobacterium nucleatumblev beskyttet i samfundet, selvom de var sårbare i isolation. Med TBBPA,Bacteroides thetaiotaomikrondominerede samfundet på trods af at være sårbart i monokulturer, hvilket demonstrerede, hvordan samfundskontekst kan ændre fitnessresultater under kemisk pres. Dernæst undersøgte forskerne interaktionsmekanismerne i arter af ordenen Bacteroidales på grund af deres høje følsomhed over for forurenende stoffer.

Transposon mutant bibliotek til identifikation af tolerancegener

Et transposon (Tn) mutantbibliotek fraParabacteroides merdaesom indeholder Tn-indsættelsesmutanter i over 3.000 ikke-essentielle gener, blev brugt til at identificere gener, der modulerer indflydelsen af ​​xenobiotika på bakteriel fitness. Der blev gennemført en konkurrencetest mod 10 kemikalier. Closantel, emamectinbenzoat, fluazinam, TBBPA, imazalilsulfat og BPAF blev testet ved ≤20 μM, mens glyphosat, perfluorononansyre (PFNA), perfluoroctansyre og propiconazol blev testet ved ≥20 μM.

Kulturer inokuleret med mutantbiblioteket blev dyrket til tidlig stationær fase, og stregkodet Tn-sekventering blev brugt til at kvantificere selektion af Tn-mutanter under kemisk stress. BPAF, closantel og TBBPA viste de stærkeste effekter i biblioteksudvælgelse blandt de testede stoffer ved ≤ 20 μM. Ydermere viste 500 μM PFNA flest hits samlet set, hvorimod 50 μM glyphosat, 20 μM PFNA og 20 μM perfluoroctansyre ikke gav signifikante hits.

Effluxregulering og modstandsmekanismer identificeret

Navnlig blev den stærkeste selektion observeret for closantel, med over 90% af Tn-mutanter, der bærer insertioner på tværs af >20 forskellige positioner i NQ542_01170-genet, som koder for en transkriptionel regulator, der er homolog med acrR, en efflux-repressorBacteroides uniformis. Tab af denne regulator øgede tolerancen over for flere forurenende stoffer og resulterede også i øget resistens over for antibiotikummet ciprofloxacin, hvilket fremhæver mulige sammenhænge mellem eksponering for forurenende stoffer og antibiotikaresistens gennem delt tolerance og efflux-veje. Nogle transportør-Tn-mutanter viste bred følsomhed over for forurenende stoffer, hvilket tyder på almindelige tolerancemekanismer blandt demP. merdae.

Bevarede forureningstoleranceveje i Bacteroidales

Yderligere undersøgelser af mutanter afB. thetaiotaomikronTilhører en fjern familieP. merdaeafslørede fælles reaktioner mellem de to arter og understøttede bevarede mekanismer (f.eks. efflux-veje) af forurenende tolerance på tværs af ordenen. DerudoverP. merdaeFor de fleste testede forbindelser, der påvirker bakteriel vækst og metabolisk ydeevne, blev Tn-indsættelsesmutant-genhits beriget i forskellige metaboliske veje.

Forureningskontrolleret udvælgelse af metaboliske veje

20 mikromolær TBBPA-selektion viste signifikant berigelse af Tn-mutanter i nedbrydningsvejen for forgrenet aminosyre (BCAA). Den kataboliske genklynge porA (involveret i BCAA-nedbrydning til kortkædede fedtsyrer) viste også positiv selektion under 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF og 500 μM PFNA. Tab-af-funktion Tn-indsættelsesmutanter af sekundære metabolismegener, NQ542_07535-55, viste positiv selektion under 500 μM PFNA.

Vidtgående implikationer for mikrobiomets fitness og udvikling

I alt identificerede undersøgelsen 588 hæmmende interaktioner mellem 168 kemikalier og menneskelige tarmbakterier, hvoraf de fleste tidligere ikke havde antibakterielle egenskaber. Industrielle kemikalier og fungicider havde den største påvirkning. Regulering af effluxpumper var en bevaret mekanisme mellem demB. thetaiotaomikronOgP. merdaeDette former tolerance og konkurrenceevne under kemisk stress.

Genetisk udvælgelse iP. merdaeblev beriget med biosyntetiske og kataboliske gener. Tab af funktionsmutationer i gener, der koder for enzymer involveret i sekundære metabolitter, gav en vækstfordel og øgede muligheden for, at eksponering for kemiske forurenende stoffer kunne påvirke selektionslandskabet i tarmen, hvilket kunne ændre vært-mikrobiom-interaktionsveje. Forsøgene blev dog udførtin vitroved definerede koncentrationer, og yderligere in vivo og epidemiologiske undersøgelser er nødvendige for at bestemme, om lignende effekter forekommer under reelle eksponeringsforhold hos mennesker og for at definere relevante eksponeringsniveauer.

Kilder: