Teollisuus- ja maatalouskemikaalit muuttavat hiljaa suoliston mikrobien tasapainoa

Teollisuus- ja maatalouskemikaalit muuttavat hiljaa suoliston mikrobien tasapainoa

Laajamittainen laboratoriotutkimus osoittaa, että laajalti käytetyt kemikaalit eivät vain saastuttavat ruokaa ja vettä. Ne voivat selektiivisesti tukahduttaa, edistää ja ohjata suoliston bakteereja, millä on mahdollisia seurauksia mikrobiomitasapainoon ja mikrobien vastustuskykyyn.

Äskettäin lehdessä julkaistussa tutkimuksessaluonnollinen mikrobiologia,Tutkijat havaitsivat, että monet maatalous- ja teollisuuskemikaalit osoittavat antimikrobista aktiivisuutta ihmisen suoliston mikrobiotaa vastaan ​​ja voivat aiheuttaa selektiivistä painetta suoliston bakteereihin.in vitro.

Synteettisistä kemikaaleista on tullut välttämättömiä teollisuudelle ja maataloudelle. Teollisuus- ja maatalouskemikaalit päätyvät veteen ja ruokaan maatalouden sovellusten, teollisen käsittelyn tai ympäristön saastumisen kautta. Ruoan ja veden saastuminen kemiallisilla saasteilla altistaa maha-suolikanavan ksenobioottisille yhdisteille. Näiden saasteiden vaikutuksista suoliston bakteereihin kontrolloiduissa laboratorio-olosuhteissa tai siitä, miten ne voivat vaikuttaa mikrobien kuntoon ja kilpailuun, tiedetään kuitenkin vain vähän.

Suoliston mikrobien kemiallisten vaikutusten seulonta

Tässä tutkimuksessa tutkijat tutkivat saasteiden vaikutuksia suoliston bakteereihin käyttämällä ain vitroSeulontamenetelmä bakteerien kasvun eston ja valintavaikutusten arvioimiseksi. He käyttivät laajaa 1076 yhdisteen kirjastoa, jotka todennäköisesti päätyvät veteen ja ruokaan; Kirjasto sisälsi teollisuuskemikaaleja, torjunta-aineita, torjunta-aineiden aineenvaihduntatuotteita ja yhdisteitä, jotka kohdistuvat organismeihin, kuten hämähäkkeihin, jyrsijöihin, bakteereihin, sieniin ja sukkulamadoihin.

Kasvun eston testaus 22 suolistokannassa

Tutkijat tutkivat kaikkien yhdisteiden vaikutusta 20 µM:n pitoisuudella 22 suolistobakteerikannan kasvuun, jotka valittiin niiden esiintyvyyden ja runsauden perusteella terveessä suoliston mikrobistossa. Bakteereja kasvatettiin ja niitä seurattiin 24 tuntia; Kasvua mitattiin kasvukäyrän alla olevana alueena. Kasvua estävät osumat määriteltiin bakteeri-kemiallisiksi vuorovaikutuksiksi, jotka vähensivät kasvua yli 20 %.

Kemikaalit, joilla on laaja ja kapea antimikrobinen vaikutus

Ryhmä havaitsi, että 168 kemikaalia esti ainakin yhtä kantaa. Erityisesti BacteroidalesParabacteroides distasonisolivat herkimmät taksonit, kun taasAkkermansia muciniphilaJaEscherichia coliolivat vähiten herkkiä. Fungisidit, teollisuuskemikaalit ja akarisidit olivat kemiallisia luokkia, joilla oli hallitseva antimikrobinen vaikutus, ja noin kolmanneksella sienitautien torjunta-aineista ja teollisuuskemikaaleista oli estäviä vaikutuksia. Vaikka useimmat yhdisteet estivät muutamia kantoja, 24 osoitti laajaa toksisuutta, estäen yli kolmanneksen kannoista.

Klosanteeli (eläinten loislääke), bisfenoli AF (BPAF; käytetään muovissa), tetrabromibisfenoli A (TBBPA; palonestoaine), emamektiinibentsoaatti (hyönteismyrkky), fluatsinaami (sienimyrkky) ja klordekoni (laajavaikutteinen hyönteismyrkky). Lisäksi 150 bakteeri-kemiallista vuorovaikutusta osoitti yli 90 prosentin kasvun estymistä, mikä osoittaa vahvaa antimikrobista aktiivisuutta, joka voi johtaa kilpailuetuihin tai tappioihin suolistomikrobien välillä.

Kemiallisen herkkyyden ja mikrobiomien runsauden väliset suhteet

Lajiin vaikuttavien yhdisteiden määrä korreloi positiivisesti niiden suhteellisen runsauden kanssa ihmisen mikrobiomissa, mutta ei esiintyvyyden kanssa. Siksi kemikaalit, joilla on kapea tai laaja aktiivisuus, voivat vaikuttaa mikrobiomin koostumukseen johtuen niiden vaikutuksista lukuisiin taksoniin differentiaalisen kasvun eston ja valinnan kautta. Seuraavaksi ryhmä tutki, kuinka lajitason kemialliset vaikutukset vaikuttavat bakteeriyhteisöihin. Synteettinen, monipuolinen 20 suolibakteerin yhteisö altistettiin TBBPA:lle tai BPAF:lle yhteisön tason vasteiden arvioimiseksi.

Yhteisön tason vastaukset BPAF:lle ja TBBPA:lle

BPAF:n aiheuttamat koostumuksen muutokset olivat kuitenkin yhdenmukaisia ​​monoviljelmien vaikutusten kanssaEubacterium rectaleJaFusobacterium nucleatumolivat suojeltuja yhteisössä, vaikka he olivat haavoittuvia eristyksissä. TBBPA:n kanssa,Bacteroides thetaiotaomicronhallitsi yhteisöä huolimatta siitä, että se on haavoittuvainen monokulttuureissa, mikä osoittaa, kuinka yhteisön konteksti voi muuttaa kuntoilutuloksia kemiallisen paineen alaisena. Seuraavaksi tutkijat tutkivat vuorovaikutusmekanismeja Bacteroidales-lahkon lajeissa niiden korkean epäpuhtausherkkyyden vuoksi.

Transposonimutanttikirjasto toleranssigeenien tunnistamiseen

Transposonin (Tn) mutanttikirjasto osoitteestaParabacteroides merdaejoka sisältää Tn-insertiomutantteja yli 3 000 ei-välttämättömässä geenissä, käytettiin tunnistamaan geenit, jotka moduloivat ksenobioottien vaikutusta bakteerien kuntoon. Kilpailutesti suoritettiin 10 kemikaalia vastaan. Klosanteeli, emamektiinibentsoaatti, fluatsinaami, TBBPA, imatsalilisulfaatti ja BPAF testattiin pitoisuudella ≤20 µM, kun taas glyfosaatti, perfluorononaanihappo (PFNA), perfluori-oktaanihappo ja propikonatsoli testattiin ≥20 µM.

Viljelmät, joihin oli ympätty mutanttikirjasto, kasvatettiin varhaiseen stationaarifaasiin, ja viivakoodattua Tn-sekvensointia käytettiin Tn-mutanttien valinnan kvantifiointiin kemiallisen stressin alaisena. BPAF, klosanteli ja TBBPA osoittivat voimakkaimmat vaikutukset kirjaston valinnassa testatuista aineista pitoisuuksilla ≤ 20 µM. Lisäksi 500 µM PFNA osoitti eniten osumia, kun taas 50 µM glyfosaatti, 20 µM PFNA ja 20 µM perfluori-oktaanihappo eivät tuottaneet merkittäviä osumia.

Effluxin säätely ja resistenssimekanismit tunnistettu

Erityisesti vahvin selektio havaittiin klosantelilla, kun yli 90 % Tn-mutanteista kantoi insertioita >20 eri kohtaan NQ542_01170-geenissä, joka koodaa transkription säätelijää, joka on homologinen acrR:lle, effluksirepressorille.Bacteroides uniformis. Tämän säätelijän häviäminen lisäsi toleranssia useille epäpuhtauksille ja johti myös lisääntyneeseen resistenssiin siprofloksasiinin antibiootille, mikä korosti mahdollisia yhteyksiä saasteille altistumisen ja antibioottiresistenssin välillä yhteisten toleranssi- ja ulosvirtausreittien kautta. Jotkut kuljettaja-Tn-mutantit osoittivat laajaa herkkyyttä epäpuhtauksille, mikä viittaa yhteisiin toleranssimekanismeihin.P. merdae.

Säilötyt epäpuhtauksien sietoreitit Bacteroidalesissa

Lisätutkimukset mutanteistaB. thetaiotaomikroniKuuluu kaukaiseen perheeseenP. merdaepaljasti yhteiset vasteet näiden kahden lajin välillä ja tuki konservoituneita mekanismeja (esim. ulosvirtausreittejä) saasteiden sietokyvyssä koko järjestyksessä. Lisäksi,P. merdaeUseimmille testatuille yhdisteille, jotka vaikuttavat bakteerien kasvuun ja aineenvaihduntaan, Tn-insertiomutanttigeenin osumat rikastuivat erilaisilla aineenvaihduntareiteillä.

Saastuttavien aineiden ohjaama aineenvaihduntareittien valinta

Kahdenkymmenen mikromolaarisen TBBPA:n valinta osoitti Tn-mutanttien merkittävää rikastumista haaraketjuisen aminohapon (BCAA) hajoamisreitillä. Katabolinen geeniklusteri porA (osallistui BCAA:n hajoamiseen lyhytketjuisiksi rasvahapoiksi) osoitti myös positiivista selektiota 20 µM TBBPA:n, 20 µM BPAF:n ja 500 µM PFNA:n alla. Sekundaarisen aineenvaihdunnan geenien, NQ542_07535–55, toimintakyvyttömät Tn-insertiomutantit osoittivat positiivista valintaa 500 µM PFNA:ssa.

Kauaskantoisia vaikutuksia mikrobiomin kuntoon ja evoluutioon

Kaikkiaan tutkimuksessa tunnistettiin 588 estävää vuorovaikutusta 168 kemikaalin ja ihmisen suolistobakteerien välillä, joista suurimmalla osalla ei aiemmin ollut antibakteerisia ominaisuuksia. Eniten vaikuttivat teollisuuskemikaalit ja sienitautien torjunta-aineet. Poistopumppujen säätö oli säilynyt mekanismi niiden välilläB. thetaiotaomikroniJaP. merdaeTämä muotoilee toleranssia ja kilpailukykyä kemiallisessa rasituksessa.

Geneettinen valinta sisäänP. merdaeoli rikastettu biosynteettisillä ja katabolisilla geeneillä. Toissijaisiin aineenvaihduntatuotteisiin osallistuvia entsyymejä koodaavien geenien toimintahäiriömutaatiot tarjosivat kasvuetua ja lisäsivät mahdollisuutta, että altistuminen kemiallisille saasteille voisi vaikuttaa suoliston valintamaisemaan, mikä saattaa muuttaa isännän ja mikrobien vuorovaikutusreittejä. Kokeet kuitenkin suoritettiinin vitromääritellyillä pitoisuuksilla, ja lisää in vivo ja epidemiologisia tutkimuksia tarvitaan sen määrittämiseksi, esiintyykö samanlaisia ​​vaikutuksia todellisissa altistumisolosuhteissa ihmisillä, ja asiaankuuluvien altistustasojen määrittelemiseksi.

Lähteet: