Οι βιομηχανικές και γεωργικές χημικές ουσίες αλλάζουν αθόρυβα την ισορροπία των μικροβίων του εντέρου

Οι βιομηχανικές και γεωργικές χημικές ουσίες αλλάζουν αθόρυβα την ισορροπία των μικροβίων του εντέρου

Μια μεγάλης κλίμακας εργαστηριακή μελέτη δείχνει ότι τα ευρέως χρησιμοποιούμενα χημικά κάνουν περισσότερα από το να μολύνουν απλώς τα τρόφιμα και το νερό. Μπορούν επιλεκτικά να καταστείλουν, να προωθήσουν και να επανασυνδέσουν τα βακτήρια του εντέρου, με πιθανές συνέπειες για την ισορροπία του μικροβιώματος και τη μικροβιακή αντοχή.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικόφυσική μικροβιολογία,Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι πολλές γεωργικές και βιομηχανικές χημικές ουσίες παρουσιάζουν αντιμικροβιακή δράση κατά της ανθρώπινης μικροχλωρίδας του εντέρου και μπορούν να ασκήσουν επιλεκτική πίεση στα βακτήρια του εντέρουin vitro.

Τα συνθετικά χημικά έχουν γίνει απαραίτητα για τη βιομηχανία και τη γεωργία. Οι βιομηχανικές και γεωργικές χημικές ουσίες εισέρχονται στο νερό και τα τρόφιμα μέσω γεωργικών εφαρμογών, βιομηχανικής επεξεργασίας ή περιβαλλοντικής ρύπανσης. Η μόλυνση των τροφίμων και του νερού από χημικούς ρύπους εκθέτει το γαστρεντερικό σωλήνα σε ξενοβιοτικές ενώσεις. Ωστόσο, λίγα είναι γνωστά για τις επιδράσεις αυτών των ρύπων στα βακτήρια του εντέρου υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες ή για το πώς μπορεί να επηρεάσουν τη μικροβιακή ικανότητα και τον ανταγωνισμό.

Έλεγχος χημικών επιδράσεων στα μικρόβια του εντέρου

Στην παρούσα μελέτη, οι ερευνητές εξέτασαν τις επιδράσεις των ρύπων στα εντερικά βακτήρια χρησιμοποιώντας αin vitroΠροσέγγιση προσυμπτωματικού ελέγχου για την αξιολόγηση των επιδράσεων αναστολής και επιλογής βακτηριακής ανάπτυξης. Χρησιμοποίησαν μια εκτεταμένη βιβλιοθήκη 1.076 ενώσεων που είναι πιθανό να εισέλθουν στο νερό και τα τρόφιμα. Η βιβλιοθήκη περιλάμβανε βιομηχανικά χημικά, φυτοφάρμακα, μεταβολίτες φυτοφαρμάκων και ενώσεις που στοχεύουν οργανισμούς όπως αράχνες, τρωκτικά, βακτήρια, μύκητες και νηματώδεις.

Δοκιμή αναστολής ανάπτυξης σε 22 εντερικά στελέχη

Οι ερευνητές εξέτασαν την επίδραση όλων των ενώσεων στα 20 μM στην ανάπτυξη 22 βακτηριακών στελεχών του εντέρου που επιλέχθηκαν με βάση τον επιπολασμό και την αφθονία τους στην υγιή μικροχλωρίδα του εντέρου. Τα βακτήρια αναπτύχθηκαν και παρακολουθήθηκαν για 24 ώρες. Η ανάπτυξη μετρήθηκε ως η περιοχή κάτω από την καμπύλη ανάπτυξης. Τα χτυπήματα αναστολής ανάπτυξης ορίστηκαν ως βακτηριακές-χημικές αλληλεπιδράσεις που μείωσαν την ανάπτυξη περισσότερο από 20%.

Χημικές ουσίες με ευρεία και στενή αντιμικροβιακή δράση

Η ομάδα διαπίστωσε ότι 168 χημικές ουσίες ανέστειλαν τουλάχιστον ένα στέλεχος. Ιδιαίτερα BacteroidelesParabacteroides distasonisήταν τα πιο ευαίσθητα taxa, ενώAkkermansia muciniphilaΚαιEscherichia coliήταν οι λιγότερο ευαίσθητοι. Τα μυκητοκτόνα, τα βιομηχανικά χημικά και τα ακαρεοκτόνα ήταν οι χημικές κατηγορίες με την κυρίαρχη αντιμικροβιακή δράση, με περίπου το ένα τρίτο των μυκητοκτόνων και των βιομηχανικών χημικών ουσιών να παρουσιάζουν ανασταλτικές επιδράσεις. Ενώ οι περισσότερες ενώσεις ανέστειλαν μερικά στελέχη, 24 έδειξαν ευρεία τοξικότητα, αναστέλλοντας περισσότερο από το ένα τρίτο των στελεχών.

Η κλοσαντέλη (αντιπαρασιτικό για τα ζώα), η δισφαινόλη AF (BPAF, που χρησιμοποιείται στα πλαστικά), η τετραβρωμοσφαινόλη Α (TBBPA, ένα επιβραδυντικό φλόγας), η βενζοϊκή εμμαμεκτίνη (εντομοκτόνο), η φλουαζινάμ (μυκητοκτόνο) και η χλωροδεκόνη (εντομοκτόνο βρωμοκτόνο). Επιπλέον, 150 βακτηριακές-χημικές αλληλεπιδράσεις έδειξαν αναστολή ανάπτυξης μεγαλύτερη από 90%, υποδηλώνοντας ισχυρή αντιμικροβιακή δράση που μπορεί να οδηγήσει σε ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα ή απώλειες μεταξύ των εντερικών μικροβίων.

Σχέσεις μεταξύ χημικής ευαισθησίας και αφθονίας μικροβιώματος

Ο αριθμός των ενώσεων που επηρεάζουν ένα είδος συσχετίστηκε θετικά με τη σχετική αφθονία τους στο ανθρώπινο μικροβίωμα, αλλά όχι με τον επιπολασμό. Ως εκ τούτου, χημικές ουσίες με στενή ή ευρεία δραστηριότητα θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη σύνθεση του μικροβιώματος λόγω των επιπτώσεών τους σε πολυάριθμα είδη μέσω της διαφορικής αναστολής και επιλογής της ανάπτυξης. Στη συνέχεια, η ομάδα εξέτασε πώς οι χημικές επιδράσεις σε επίπεδο είδους επηρεάζουν τις βακτηριακές κοινότητες. Μια συνθετική, ποικιλόμορφη κοινότητα 20 βακτηρίων του εντέρου προκλήθηκε με TBBPA ή BPAF για να αξιολογηθούν οι αποκρίσεις σε επίπεδο κοινότητας.

Αποκρίσεις σε κοινοτικό επίπεδο στο BPAF και το TBBPA

Ωστόσο, οι αλλαγές στη σύνθεση που προκαλούνται από το BPAF ήταν σύμφωνες με τα αποτελέσματα της μονοκαλλιέργειαςEubacterium rectalΚαιFusobacterium nucleatumπροστατεύονταν στην κοινότητα παρόλο που ήταν ευάλωτοι στην απομόνωση. Με TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicronκυριάρχησε στην κοινότητα παρά το γεγονός ότι ήταν ευάλωτος στις μονοκαλλιέργειες, δείχνοντας πώς το κοινοτικό πλαίσιο μπορεί να αλλάξει τα αποτελέσματα της φυσικής κατάστασης υπό χημική πίεση. Στη συνέχεια, οι ερευνητές εξέτασαν τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης σε είδη της τάξης των Bacteroidales λόγω της υψηλής ευαισθησίας τους στους ρύπους.

Βιβλιοθήκη μεταλλαγμένων τρανσποζονίων για αναγνώριση γονιδίων ανοχής

Μια βιβλιοθήκη μεταλλαγμένων τρανσποζονίων (Tn) απόParabacteroides merdaeπου περιέχει μεταλλάγματα εισαγωγής Tn σε περισσότερα από 3.000 μη βασικά γονίδια, χρησιμοποιήθηκε για τον εντοπισμό γονιδίων που ρυθμίζουν την επίδραση των ξενοβιοτικών στη βακτηριακή ικανότητα. Διεξήχθη δοκιμή ανταγωνισμού σε 10 χημικές ουσίες. Η κλοσαντέλη, η βενζοϊκή εμμαμεκτίνη, η φλουαζινάμ, το TBBPA, η θειική imazalil και το BPAF δοκιμάστηκαν σε ≤20 μM, ενώ το glyphosate, το υπερφθορονονανοϊκό οξύ (PFNA), το υπερφθοροοκτανοϊκό οξύ και η προπικοναζόλη δοκιμάστηκαν σε ≥20 μΜ.

Καλλιέργειες που εμβολιάστηκαν με τη βιβλιοθήκη μεταλλαγμάτων αναπτύχθηκαν σε πρώιμη στατική φάση και χρησιμοποιήθηκε αλληλουχία με γραμμικό κώδικα Tn για να ποσοτικοποιηθεί η επιλογή μεταλλαγμάτων Tn υπό χημική καταπόνηση. Οι BPAF, closantel και TBBPA έδειξαν τα ισχυρότερα αποτελέσματα στην επιλογή βιβλιοθήκης μεταξύ των ουσιών που δοκιμάστηκαν σε ≤ 20 μM. Επιπλέον, τα 500 μM PFNA παρουσίασαν τα περισσότερα χτυπήματα συνολικά, ενώ τα 50 μM glyphosate, 20 μM PFNA και 20 μM υπερφθοροοκτανοϊκό οξύ δεν απέδωσαν σημαντικές επιτυχίες.

Εντοπίστηκαν μηχανισμοί ρύθμισης εκροής και αντίστασης

Αξίζει να σημειωθεί ότι η ισχυρότερη επιλογή παρατηρήθηκε για το closantel, με πάνω από το 90% των μεταλλαγμάτων Tn να φέρουν εισαγωγές σε >20 διαφορετικές θέσεις στο γονίδιο NQ542_01170, το οποίο κωδικοποιεί έναν μεταγραφικό ρυθμιστή ομόλογο με το acrR, έναν καταστολέα εκροήςBacteroides uniformis. Η απώλεια αυτού του ρυθμιστή αύξησε την ανοχή σε πολλαπλούς ρύπους και οδήγησε επίσης σε αυξημένη αντοχή στο αντιβιοτικό σιπροφλοξασίνη, τονίζοντας πιθανούς δεσμούς μεταξύ της έκθεσης σε ρύπους και της αντοχής στα αντιβιοτικά μέσω κοινής ανοχής και οδών εκροής. Ορισμένα μεταλλαγμένα μεταφορικά Tn έδειξαν ευρεία ευαισθησία στους ρύπους, υποδηλώνοντας κοινούς μηχανισμούς ανοχής μεταξύ τουςP. merdae.

Διατηρημένα μονοπάτια ανοχής ρύπων στο Bacteroidales

Περαιτέρω έρευνες σε μεταλλαγμένα τουΒ. thetaiotaomicronΑνήκοντας σε μακρινή οικογένειαP. merdaeαποκάλυψε κοινές αποκρίσεις μεταξύ των δύο ειδών και υποστήριξε διατηρημένους μηχανισμούς (π.χ. μονοπάτια εκροής) ανοχής ρύπων σε όλη τη σειρά. Επιπλέον,P. merdaeΓια τις περισσότερες δοκιμασμένες ενώσεις που επηρεάζουν τη βακτηριακή ανάπτυξη και τη μεταβολική απόδοση, οι επιτυχίες γονιδίων μετάλλαξης εισαγωγής Tn εμπλουτίστηκαν σε διάφορες μεταβολικές οδούς.

Επιλογή μεταβολικών οδών ελεγχόμενη από ρύπους

Είκοσι μικρογραμμομοριακή επιλογή TBBPA έδειξε σημαντικό εμπλουτισμό μεταλλαγμάτων Tn στην οδό αποικοδόμησης αμινοξέων διακλαδισμένης αλυσίδας (BCAA). Το σύμπλεγμα καταβολικών γονιδίων porA (που εμπλέκεται στην αποικοδόμηση BCAA σε λιπαρά οξέα βραχείας αλυσίδας) έδειξε επίσης θετική επιλογή κάτω από 20 μΜ TBBPA, 20 μΜ BPAF και 500 μΜ PFNA. Τα μεταλλάγματα εισαγωγής Tn με απώλεια λειτουργίας των γονιδίων δευτερογενούς μεταβολισμού, NQ542_07535–55, έδειξαν θετική επιλογή κάτω από 500 μM PFNA.

Εκτεταμένες επιπτώσεις για την καταλληλότητα και την εξέλιξη του μικροβιώματος

Συνολικά, η μελέτη εντόπισε 588 ανασταλτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ 168 χημικών ουσιών και βακτηρίων του ανθρώπινου εντέρου, τα περισσότερα από τα οποία προηγουμένως δεν είχαν αντιβακτηριακές ιδιότητες. Τα βιομηχανικά χημικά και μυκητοκτόνα είχαν τη μεγαλύτερη επίδραση. Η ρύθμιση των αντλιών εκροής ήταν ένας διατηρημένος μηχανισμός μεταξύ τουςΒ. thetaiotaomicronΚαιP. merdaeΑυτό διαμορφώνει την ανοχή και την ανταγωνιστικότητα κάτω από χημικό στρες.

Γενετική επιλογή σεP. merdaeεμπλουτίστηκε με βιοσυνθετικά και καταβολικά γονίδια. Οι μεταλλάξεις απώλειας λειτουργίας σε γονίδια που κωδικοποιούν ένζυμα που εμπλέκονται σε δευτερογενείς μεταβολίτες παρείχαν πλεονέκτημα ανάπτυξης και αύξησαν την πιθανότητα ότι η έκθεση σε χημικούς ρύπους θα μπορούσε να επηρεάσει το τοπίο επιλογής στο έντερο, γεγονός που θα μπορούσε να αλλάξει τις οδούς αλληλεπίδρασης ξενιστή-μικροβίου. Ωστόσο, τα πειράματα έγινανin vitroσε καθορισμένες συγκεντρώσεις και απαιτούνται περαιτέρω in vivo και επιδημιολογικές μελέτες για να καθοριστεί εάν παρόμοια αποτελέσματα συμβαίνουν σε πραγματικές συνθήκες έκθεσης στον άνθρωπο και να καθοριστούν τα σχετικά επίπεδα έκθεσης.

Πηγές: