Los productos químicos industriales y agrícolas alteran silenciosamente el equilibrio de los microbios intestinales

Los productos químicos industriales y agrícolas alteran silenciosamente el equilibrio de los microbios intestinales

Un estudio de laboratorio a gran escala muestra que los productos químicos ampliamente utilizados hacen más que simplemente contaminar los alimentos y el agua. Pueden suprimir, promover y reconectar selectivamente las bacterias intestinales, con posibles consecuencias para el equilibrio del microbioma y la resistencia a los antimicrobianos.

En un estudio publicado recientemente en la revistamicrobiología natural,Los investigadores observaron que muchos productos químicos agrícolas e industriales exhiben actividad antimicrobiana contra la microbiota intestinal humana y pueden ejercer una presión selectiva sobre las bacterias intestinales.in vitro.

Los productos químicos sintéticos se han vuelto indispensables para la industria y la agricultura. Los productos químicos industriales y agrícolas ingresan al agua y a los alimentos a través de aplicaciones agrícolas, procesamiento industrial o contaminación ambiental. La contaminación de los alimentos y el agua por contaminantes químicos expone el tracto gastrointestinal a compuestos xenobióticos. Sin embargo, se sabe poco sobre los efectos de estos contaminantes en las bacterias intestinales en condiciones controladas de laboratorio o cómo pueden influir en la aptitud y la competencia microbiana.

Detección de efectos químicos sobre los microbios intestinales

En el presente estudio, los investigadores examinaron los efectos de los contaminantes en las bacterias intestinales utilizando unin vitroEnfoque de detección para evaluar la inhibición del crecimiento bacteriano y los efectos de selección. Utilizaron una extensa biblioteca de 1.076 compuestos que probablemente ingresen al agua y los alimentos; La biblioteca incluía productos químicos industriales, pesticidas, metabolitos de pesticidas y compuestos dirigidos a organismos como arañas, roedores, bacterias, hongos y nematodos.

Prueba de inhibición del crecimiento en 22 cepas intestinales

Los investigadores examinaron la influencia de todos los compuestos a 20 μM en el crecimiento de 22 cepas de bacterias intestinales seleccionadas en función de su prevalencia y abundancia en la microbiota intestinal sana. Las bacterias se cultivaron y controlaron durante 24 horas; El crecimiento se midió como el área bajo la curva de crecimiento. Los impactos de inhibición del crecimiento se definieron como interacciones bacterianas y químicas que redujeron el crecimiento en más del 20%.

Productos químicos con actividad antimicrobiana amplia y restringida.

El equipo descubrió que 168 sustancias químicas inhibían al menos una cepa. Particularmente bacteroidalesParabacteroides distasonisfueron los taxones más sensibles, mientras queAkkermansia muciniphilaYEscherichia colifueron los menos sensibles. Los fungicidas, productos químicos industriales y acaricidas fueron las categorías químicas con actividad antimicrobiana predominante, y aproximadamente un tercio de los fungicidas y productos químicos industriales exhibieron efectos inhibidores. Si bien la mayoría de los compuestos inhibieron algunas cepas, 24 mostraron una toxicidad amplia, inhibiendo más de un tercio de las cepas.

Closantel (un antiparasitario para el ganado), bisfenol AF (BPAF; utilizado en plásticos), tetrabromobisfenol A (TBBPA; un retardante de llama), benzoato de emamectina (un insecticida), fluazinam (un fungicida) y clordecona (un insecticida) se encontraban entre los compuestos con actividad inhibidora de amplio espectro. Además, 150 interacciones bacterianas-químicas mostraron una inhibición del crecimiento de más del 90%, lo que indica una fuerte actividad antimicrobiana que puede conducir a ventajas o pérdidas competitivas entre los microbios intestinales.

Relaciones entre la sensibilidad química y la abundancia del microbioma.

La cantidad de compuestos que afectan a una especie se correlacionó positivamente con su abundancia relativa en el microbioma humano, pero no con la prevalencia. Por lo tanto, las sustancias químicas con actividad estrecha o amplia podrían influir en la composición del microbioma debido a sus efectos en numerosos taxones a través de la inhibición y selección diferencial del crecimiento. A continuación, el equipo examinó cómo los efectos químicos a nivel de especie afectan a las comunidades bacterianas. Una comunidad sintética y diversa de 20 bacterias intestinales fue desafiada con TBBPA o BPAF para evaluar las respuestas a nivel comunitario.

Respuestas a nivel comunitario a BPAF y TBBPA

Sin embargo, los cambios de composición inducidos por BPAF fueron consistentes con los efectos del monocultivo.Eubacteria rectalYFusobacterium nucleatumestaban protegidos en la comunidad a pesar de que eran vulnerables en aislamiento. Con TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicrondominó la comunidad a pesar de ser vulnerable en los monocultivos, lo que demuestra cómo el contexto comunitario puede alterar los resultados de aptitud física bajo presión química. A continuación, los investigadores examinaron los mecanismos de interacción en especies del orden Bacteroidales debido a su alta sensibilidad a los contaminantes.

Biblioteca de mutantes de transposones para identificar genes de tolerancia

Una biblioteca de mutantes de transposones (Tn) deParabacteroides merdaeque contiene mutantes de inserción de Tn en más de 3.000 genes no esenciales, se utilizó para identificar genes que modulan la influencia de los xenobióticos en la aptitud bacteriana. Se realizó una prueba de competición contra 10 productos químicos. Closantel, benzoato de emamectina, fluazinam, TBBPA, sulfato de imazalil y BPAF se probaron a ≤20 μM, mientras que glifosato, ácido perfluorononanoico (PFNA), ácido perfluorooctanoico y propiconazol se probaron a ≥20 μM.

Los cultivos inoculados con la biblioteca de mutantes se cultivaron hasta la fase estacionaria temprana y se utilizó la secuenciación de Tn con código de barras para cuantificar la selección de mutantes de Tn bajo estrés químico. BPAF, closantel y TBBPA mostraron los efectos más fuertes en la selección de bibliotecas entre las sustancias analizadas a ≤ 20 μM. Además, PFNA 500 μM mostró la mayor cantidad de aciertos en general, mientras que glifosato 50 μM, PFNA 20 μM y ácido perfluorooctanoico 20 μM no produjeron aciertos significativos.

Mecanismos de resistencia y regulación del eflujo identificados.

En particular, la selección más fuerte se observó para closantel, con más del 90 % de los mutantes Tn portadores de inserciones en >20 posiciones diferentes en el gen NQ542_01170, que codifica un regulador transcripcional homólogo a acrR, un represor de eflujo.Bacteroides uniformis. La pérdida de este regulador aumentó la tolerancia a múltiples contaminantes y también resultó en una mayor resistencia al antibiótico ciprofloxacina, destacando posibles vínculos entre la exposición a contaminantes y la resistencia a los antibióticos a través de la tolerancia compartida y las vías de salida. Algunos mutantes del transportador Tn mostraron una amplia sensibilidad a los contaminantes, lo que sugiere mecanismos de tolerancia comunes entre ellos.P. merdae.

Vías de tolerancia a contaminantes conservadas en Bacteroidales.

Investigaciones adicionales sobre mutantes deB. thetaiotaomicronPertenecer a una familia lejanaP. merdaereveló respuestas comunes entre las dos especies y apoyó mecanismos conservados (por ejemplo, vías de eflujo) de tolerancia a los contaminantes en todo el orden. Además,P. merdaePara la mayoría de los compuestos probados que afectan el crecimiento bacteriano y el rendimiento metabólico, los genes mutantes de inserción Tn se enriquecieron en varias vías metabólicas.

Selección de vías metabólicas controlada por contaminantes.

La selección de TBBPA de veinte micromolares mostró un enriquecimiento significativo de mutantes Tn en la vía de degradación de aminoácidos de cadena ramificada (BCAA). El grupo de genes catabólicos porA (implicado en la degradación de BCAA en ácidos grasos de cadena corta) también mostró una selección positiva con TBBPA 20 μM, BPAF 20 μM y PFNA 500 μM. Los mutantes de inserción de Tn con pérdida de función de genes del metabolismo secundario, NQ542_07535–55, mostraron una selección positiva bajo 500 μM de PFNA.

Implicaciones de gran alcance para la aptitud y la evolución del microbioma.

En total, el estudio identificó 588 interacciones inhibidoras entre 168 sustancias químicas y bacterias intestinales humanas, la mayoría de las cuales anteriormente no tenían propiedades antibacterianas. Los productos químicos industriales y los fungicidas tuvieron el mayor impacto. La regulación de las bombas de eflujo era un mecanismo conservado entre ellas.B. thetaiotaomicronYP. merdaeEsto moldea la tolerancia y la competitividad bajo estrés químico.

Selección genética enP. merdaese enriqueció con genes biosintéticos y catabólicos. Las mutaciones con pérdida de función en genes que codifican enzimas implicadas en metabolitos secundarios proporcionaron una ventaja de crecimiento y plantearon la posibilidad de que la exposición a contaminantes químicos pudiera influir en el panorama de selección en el intestino, lo que podría alterar las vías de interacción huésped-microbioma. Sin embargo, los experimentos se llevaron a caboin vitroen concentraciones definidas, y se requieren más estudios epidemiológicos e in vivo para determinar si se producen efectos similares en condiciones reales de exposición en humanos y definir niveles de exposición relevantes.

Fuentes: