Az ipari és mezőgazdasági vegyszerek csendesen megváltoztatják a bélmikrobák egyensúlyát

Az ipari és mezőgazdasági vegyszerek csendesen megváltoztatják a bélmikrobák egyensúlyát

Egy nagyszabású laboratóriumi vizsgálat azt mutatja, hogy a széles körben használt vegyszerek nemcsak az élelmiszert és a vizet szennyezik. Szelektíven elnyomhatják, elősegíthetik és újrahuzalozhatják a bélbaktériumokat, ami potenciális következményekkel járhat a mikrobiom egyensúlyára és az antimikrobiális rezisztenciára.

A folyóiratban nemrég megjelent tanulmánybantermészetes mikrobiológia,A kutatók megfigyelték, hogy számos mezőgazdasági és ipari vegyszer antimikrobiális hatást fejt ki az emberi bélmikrobióta ellen, és szelektív nyomást gyakorolhat a bélbaktériumokra.in vitro.

A szintetikus vegyszerek nélkülözhetetlenek az iparban és a mezőgazdaságban. Az ipari és mezőgazdasági vegyszerek mezőgazdasági alkalmazások, ipari feldolgozás vagy környezetszennyezés révén jutnak vízbe és élelmiszerbe. Az élelmiszerek és a víz kémiai szennyező anyagokkal való szennyeződése xenobiotikus vegyületeknek teszi ki a gyomor-bélrendszert. Keveset tudunk azonban ezeknek a szennyező anyagoknak a bélbaktériumokra gyakorolt ​​hatásairól ellenőrzött laboratóriumi körülmények között, vagy arról, hogy ezek hogyan befolyásolhatják a mikrobiális alkalmasságot és a versenyt.

A bélmikrobákra gyakorolt ​​kémiai hatások szűrése

Jelen tanulmányban a kutatók a szennyező anyagok bélbaktériumokra gyakorolt ​​hatását vizsgálták ain vitroSzűrési megközelítés a baktériumok növekedését gátló és szelekciós hatások felmérésére. Egy kiterjedt, 1076 vegyületből álló könyvtárat használtak, amelyek valószínűleg bejutnak a vízbe és az élelmiszerbe; A könyvtár ipari vegyi anyagokat, peszticideket, peszticid metabolitokat és olyan vegyületeket tartalmazott, amelyek olyan szervezeteket céloznak meg, mint a pókok, rágcsálók, baktériumok, gombák és fonálférgek.

Növekedésgátlás tesztelése 22 béltörzsben

A kutatók megvizsgálták az összes vegyület hatását 20 μM koncentrációban 22 bélbaktérium törzs növekedésére, amelyeket a prevalencia és az egészséges bélmikrobióta mennyisége alapján választottak ki. A baktériumokat 24 órán keresztül szaporítottuk és monitoroztuk; A növekedést a növekedési görbe alatti területként mértük. A növekedést gátló találatokat olyan bakteriális-kémiai kölcsönhatásokként határozták meg, amelyek több mint 20%-kal csökkentették a növekedést.

Széles és szűk antimikrobiális hatású vegyszerek

A csapat megállapította, hogy 168 vegyi anyag gátolt legalább egy törzset. Különösen a BacteroidalesParabacteroides distasonisvoltak a legérzékenyebb taxonok, mígAkkermansia muciniphilaÉsEscherichia colivoltak a legkevésbé érzékenyek. A gombaölők, az ipari vegyszerek és az akaricidek voltak azok a kémiai kategóriák, amelyek antimikrobiális hatásuk túlnyomórészt volt, a gombaölők és ipari vegyszerek körülbelül egyharmada mutat gátló hatást. Míg a legtöbb vegyület gátolt néhány törzset, 24 széles toxicitást mutatott, a törzsek több mint egyharmadát gátolva.

A klozantel (állatállomány parazitaellenes szer), a biszfenol AF (BPAF; műanyagokban használatos), a tetrabromobiszfenol A (TBBPA; égésgátló), az emamektin benzoát (rovarölő szer), a fluazinam (gombaölő szer) és a chlordecone (széles hatású rovarölő vegyület). Ezenkívül 150 bakteriális-kémiai kölcsönhatás több mint 90%-os növekedési gátlást mutatott, ami erős antimikrobiális aktivitást jelez, amely versenyelőnyökhöz vagy veszteségekhez vezethet a bélmikrobák között.

A kémiai érzékenység és a mikrobiombőség közötti összefüggések

Az egy fajra ható vegyületek száma pozitív korrelációt mutatott az emberi mikrobiomban való relatív abundanciájukkal, de nem a prevalenciájával. Ezért a szűk vagy széles aktivitású vegyszerek befolyásolhatják a mikrobiom összetételét számos taxonra gyakorolt ​​hatásuk miatt a differenciális növekedésgátláson és szelekción keresztül. Ezt követően a csapat azt vizsgálta, hogy a fajszintű kémiai hatások hogyan hatnak a baktériumközösségekre. Egy 20 bélbaktériumból álló szintetikus, változatos közösséget TBBPA-val vagy BPAF-fel fertőztünk, hogy értékeljük a közösségi szintű válaszokat.

Közösségi szintű válaszok a BPAF-ra és a TBBPA-ra

A BPAF által kiváltott összetételbeli változások azonban összhangban voltak a monokultúrás hatásokkalEubacterium rectaleÉsFusobacterium nucleatumvédelmet élveztek a közösségben, noha elszigetelten kiszolgáltatottak voltak. TBBPA-val,Bacteroides thetaiotaomicronuralta a közösséget annak ellenére, hogy sérülékeny a monokultúrákban, bemutatva, hogy a közösségi környezet hogyan változtathatja meg a fitnesz eredményeit kémiai nyomás alatt. Ezt követően a kutatók a Bacteroidales rend fajainak kölcsönhatási mechanizmusait vizsgálták meg a szennyező anyagokra való nagy érzékenységük miatt.

Transzpozon mutáns könyvtár a tolerancia gének azonosítására

Egy transzpozon (Tn) mutáns könyvtár aParabacteroides merdaeamely több mint 3000 nem esszenciális génben tartalmaz Tn inszerciós mutánsokat, olyan gének azonosítására használták, amelyek módosítják a xenobiotikumok hatását a baktériumok alkalmasságára. Versenyvizsgálatot végeztek 10 vegyszer ellen. A klozantelt, az emamektin-benzoátot, a fluazinámot, a TBBPA-t, az imazalil-szulfátot és a BPAF-ot ≤20 μM-on, míg a glifozátot, a perfluorononánsavat (PFNA), a perfluoroktánsavat és a propikonazolt ≥20 μM-on tesztelték.

A mutáns könyvtárral beoltott tenyészeteket korai stacionárius fázisig növesztjük, és vonalkódos Tn szekvenálást alkalmaztunk a Tn mutánsok kémiai stressz alatti szelekciójának mennyiségi meghatározására. A BPAF, a closantel és a TBBPA mutatta a legerősebb hatást a könyvtár kiválasztásában a vizsgált anyagok közül ≤ 20 μM-nál. Ezenkívül az 500 μM PFNA mutatta a legtöbb találatot összességében, míg az 50 μM glifozát, 20 μM PFNA és 20 μM perfluoroktánsav nem hozott jelentős találatokat.

Efflux szabályozás és rezisztencia mechanizmusok azonosítása

A legerősebb szelekciót a closantel esetében figyelték meg: a Tn-mutánsok több mint 90%-a több mint 20 különböző pozícióban tartalmaz inszerciót az NQ542_01170 génben, amely az acrR-rel homológ transzkripciós szabályozót kódol, egy efflux represszort.Bacteroides uniformis. Ennek a szabályozónak az elvesztése megnövelte a többféle szennyezőanyaggal szembeni toleranciát, és a ciprofloxacin antibiotikummal szembeni rezisztencia növekedését is eredményezte, rávilágítva a szennyezőanyag-expozíció és az antibiotikum-rezisztencia közötti lehetséges kapcsolatokra a közös tolerancia és kiáramlási útvonalak révén. Egyes transzporter Tn mutánsok széleskörű érzékenységet mutattak a szennyező anyagokra, ami közös toleranciamechanizmusokra utal.P. merdae.

Megőrzött szennyezőanyag-tolerancia útvonalak a Bacteroidalesben

A mutánsok további vizsgálataiB. thetaiotaomicronEgy távoli családhoz tartozikP. merdaeközös válaszokat tárt fel a két faj között, és támogatta a szennyezőanyag-tolerancia konzervált mechanizmusait (pl. kiáramlási útvonalakat) a sorrendben. EzenkívülP. merdaeA legtöbb tesztelt vegyület esetében, amely befolyásolja a baktériumok növekedését és az anyagcsere teljesítményét, a Tn inszerciós mutáns gén találatai különféle metabolikus útvonalakban gazdagodtak.

A metabolikus útvonalak szennyezőanyag által szabályozott kiválasztása

A húsz mikromoláris TBBPA szelekció a Tn mutánsok szignifikáns feldúsulását mutatta az elágazó láncú aminosav (BCAA) lebomlási útvonalában. A porA katabolikus génklaszter (amely részt vesz a BCAA lebontásában rövid szénláncú zsírsavakra) szintén pozitív szelekciót mutatott 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF és 500 μM PFNA mellett. A másodlagos metabolizmus gének funkcióvesztéses Tn inszerciós mutánsai (NQ542_07535–55) pozitív szelekciót mutattak 500 μM PFNA alatt.

Messze nyúló következmények a mikrobiom alkalmasságára és evolúciójára nézve

A tanulmány összesen 588 gátló kölcsönhatást azonosított 168 vegyi anyag és az emberi bélbaktériumok között, amelyek többsége korábban nem rendelkezett antibakteriális tulajdonságokkal. A legnagyobb hatást az ipari vegyszerek és gombaölők gyakorolták. Az eflux szivattyúk szabályozása konzervált mechanizmus volt közöttükB. thetaiotaomicronÉsP. merdaeEz alakítja a toleranciát és a versenyképességet a kémiai stressz alatt.

Genetikai szelekció beP. merdaebioszintetikus és katabolikus génekkel gazdagodott. A másodlagos metabolitokban részt vevő enzimeket kódoló gének funkcióvesztéses mutációi növekedési előnyt jelentettek, és felvetették annak lehetőségét, hogy a kémiai szennyező anyagoknak való kitettség befolyásolhatja a bélben lévő szelekciós tájat, ami megváltoztathatja a gazda-mikrobióm interakciós útvonalakat. A kísérleteket azonban elvégeztékin vitromeghatározott koncentrációkban, és további in vivo és epidemiológiai vizsgálatok szükségesek annak meghatározásához, hogy hasonló hatások jelentkeznek-e valós expozíciós körülmények között az emberekben, és meghatározzák a vonatkozó expozíciós szinteket.

Források: