I prodotti chimici industriali e agricoli alterano silenziosamente l’equilibrio dei microbi intestinali

I prodotti chimici industriali e agricoli alterano silenziosamente l’equilibrio dei microbi intestinali

Uno studio di laboratorio su larga scala dimostra che le sostanze chimiche ampiamente utilizzate non si limitano a contaminare cibo e acqua. Possono sopprimere, promuovere e ricollegare selettivamente i batteri intestinali, con potenziali conseguenze sull’equilibrio del microbioma e sulla resistenza antimicrobica.

In uno studio recentemente pubblicato sulla rivistamicrobiologia naturale,I ricercatori hanno osservato che molte sostanze chimiche agricole e industriali mostrano attività antimicrobica contro il microbiota intestinale umano e possono esercitare una pressione selettiva sui batteri intestinaliin vitro.

I prodotti chimici di sintesi sono diventati indispensabili per l’industria e l’agricoltura. I prodotti chimici industriali e agricoli entrano nell’acqua e negli alimenti attraverso applicazioni agricole, lavorazioni industriali o inquinamento ambientale. La contaminazione del cibo e dell'acqua da parte di inquinanti chimici espone il tratto gastrointestinale a composti xenobiotici. Tuttavia, si sa poco sugli effetti di questi inquinanti sui batteri intestinali in condizioni di laboratorio controllate o su come possano influenzare la forma fisica e la competizione microbica.

Screening degli effetti chimici sui microbi intestinali

Nel presente studio, i ricercatori hanno esaminato gli effetti degli inquinanti sui batteri intestinali utilizzando ain vitroApproccio di screening per valutare l'inibizione della crescita batterica e gli effetti di selezione. Hanno utilizzato una vasta libreria di 1.076 composti che potrebbero entrare nell'acqua e negli alimenti; La libreria comprendeva prodotti chimici industriali, pesticidi, metaboliti dei pesticidi e composti che prendono di mira organismi come ragni, roditori, batteri, funghi e nematodi.

Testare l'inibizione della crescita in 22 ceppi intestinali

I ricercatori hanno esaminato l’influenza di tutti i composti a 20 μM sulla crescita di 22 ceppi batterici intestinali selezionati in base alla loro prevalenza e abbondanza nel microbiota intestinale sano. I batteri sono stati coltivati ​​e monitorati per 24 ore; La crescita è stata misurata come l’area sotto la curva di crescita. I colpi di inibizione della crescita sono stati definiti come interazioni batterio-chimiche che hanno ridotto la crescita di oltre il 20%.

Prodotti chimici con attività antimicrobica ampia e ristretta

Il team ha scoperto che 168 sostanze chimiche hanno inibito almeno un ceppo. In particolare batterioidaliParabacteroides distasoniserano i taxa più sensibili, mentreAkkermansia muciniphilaEEscherichia colierano i meno sensibili. Fungicidi, prodotti chimici industriali e acaricidi erano le categorie chimiche con l’attività antimicrobica predominante, con circa un terzo dei fungicidi e dei prodotti chimici industriali che mostravano effetti inibitori. Mentre la maggior parte dei composti ha inibito alcuni ceppi, 24 hanno mostrato un’ampia tossicità, inibendo più di un terzo dei ceppi.

Closantel (un antiparassitario per il bestiame), bisfenolo AF (BPAF; utilizzato nella plastica), tetrabromobisfenolo A (TBBPA; un ritardante di fiamma), emamectina benzoato (un insetticida), fluazinam (un fungicida) e clordecone (un insetticida) erano tra i composti con attività inibitoria ad ampio spettro. Inoltre, 150 interazioni batterio-chimiche hanno mostrato un’inibizione della crescita superiore al 90%, indicando una forte attività antimicrobica che può portare a vantaggi competitivi o perdite tra i microbi intestinali.

Relazioni tra sensibilità chimica e abbondanza del microbioma

Il numero di composti che colpiscono una specie era correlato positivamente con la loro abbondanza relativa nel microbioma umano, ma non con la prevalenza. Pertanto, le sostanze chimiche con attività ristretta o ampia potrebbero influenzare la composizione del microbioma a causa dei loro effetti su numerosi taxa attraverso l’inibizione e la selezione differenziale della crescita. Successivamente, il team ha esaminato il modo in cui gli effetti chimici a livello di specie influenzano le comunità batteriche. Una comunità sintetica e diversificata di 20 batteri intestinali è stata sfidata con TBBPA o BPAF per valutare le risposte a livello di comunità.

Risposte a livello comunitario al BPAF e al TBBPA

Tuttavia, i cambiamenti compositivi indotti dal BPAF erano coerenti con gli effetti della monocolturaEubatterio rettaleEFusobacterium nucleatumerano protetti nella comunità anche se erano vulnerabili nell’isolamento. Con TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicronhanno dominato la comunità nonostante fossero vulnerabili nelle monocolture, dimostrando come il contesto comunitario possa alterare i risultati di fitness sotto pressione chimica. Successivamente, i ricercatori hanno esaminato i meccanismi di interazione nelle specie dell'ordine Bacteroidales a causa della loro elevata sensibilità agli inquinanti.

Libreria di mutanti trasposoni per l'identificazione dei geni di tolleranza

Una libreria mutante di trasposoni (Tn) daParabacteroides merdaeche contiene mutanti di inserzione di Tn in oltre 3.000 geni non essenziali, è stato utilizzato per identificare i geni che modulano l'influenza degli xenobiotici sulla fitness batterica. È stato condotto un test competitivo contro 10 sostanze chimiche. Closantel, emamectina benzoato, fluazinam, TBBPA, imazalil solfato e BPAF sono stati testati a ≤20 μM, mentre glifosato, acido perfluorononanoico (PFNA), acido perfluoroottanoico e propiconazolo sono stati testati a ≥20 μM.

Le colture inoculate con la libreria mutante sono state coltivate fino alla fase stazionaria iniziale e il sequenziamento Tn con codice a barre è stato utilizzato per quantificare la selezione dei mutanti Tn sotto stress chimico. BPAF, closantel e TBBPA hanno mostrato gli effetti più forti nella selezione delle librerie tra le sostanze testate a ≤ 20 μM. Inoltre, 500 μM di PFNA hanno mostrato il maggior numero di risultati complessivi, mentre 50 μM di glifosato, 20 μM di PFNA e 20 μM di acido perfluoroottanoico non hanno prodotto risultati significativi.

Identificati meccanismi di regolazione dell'efflusso e di resistenza

In particolare, la selezione più forte è stata osservata per closantel, con oltre il 90% dei mutanti Tn che presentavano inserzioni in più di 20 posizioni diverse nel gene NQ542_01170, che codifica per un regolatore trascrizionale omologo ad acrR, un repressore dell'efflussoBacteroides uniformis. La perdita di questo regolatore ha aumentato la tolleranza a molteplici inquinanti e ha comportato anche un aumento della resistenza all’antibiotico ciprofloxacina, evidenziando possibili collegamenti tra esposizione agli inquinanti e resistenza agli antibiotici attraverso la tolleranza condivisa e le vie di efflusso. Alcuni mutanti del trasportatore Tn hanno mostrato un'ampia sensibilità agli inquinanti, suggerendo meccanismi di tolleranza comuni tra loroP.merdae.

Percorsi conservati di tolleranza agli inquinanti nei Bacteroidales

Ulteriori indagini sui mutanti diB. thetaiotaomicronAppartenenza ad una famiglia lontanaP.merdaehanno rivelato risposte comuni tra le due specie e hanno supportato meccanismi conservati (ad esempio, percorsi di efflusso) di tolleranza agli inquinanti in tutto l'ordine. Inoltre,P.merdaePer la maggior parte dei composti testati che influenzano la crescita batterica e le prestazioni metaboliche, i colpi del gene mutante di inserzione Tn sono stati arricchiti in varie vie metaboliche.

Selezione delle vie metaboliche controllata dagli inquinanti

La selezione di venti TBBPA micromolari ha mostrato un arricchimento significativo di mutanti Tn nella via di degradazione degli aminoacidi a catena ramificata (BCAA). Anche il cluster di geni catabolici porA (coinvolto nella degradazione dei BCAA in acidi grassi a catena corta) ha mostrato una selezione positiva sotto 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF e 500 μM PFNA. I mutanti di inserzione Tn con perdita di funzione dei geni del metabolismo secondario, NQ542_07535–55, hanno mostrato una selezione positiva con PFNA di 500 μM.

Implicazioni di vasta portata per la forma fisica e l’evoluzione del microbioma

In totale, lo studio ha identificato 588 interazioni inibitorie tra 168 sostanze chimiche e batteri intestinali umani, la maggior parte dei quali in precedenza non aveva proprietà antibatteriche. I prodotti chimici industriali e i fungicidi hanno avuto l’impatto maggiore. La regolazione delle pompe di efflusso era un meccanismo conservato tra loroB. thetaiotaomicronEP.merdaeCiò modella la tolleranza e la competitività sotto stress chimico.

Selezione genetica dentroP.merdaeè stato arricchito con geni biosintetici e catabolici. Le mutazioni con perdita di funzione nei geni che codificano per gli enzimi coinvolti nei metaboliti secondari hanno fornito un vantaggio in termini di crescita e hanno aumentato la possibilità che l’esposizione a inquinanti chimici potesse influenzare il panorama di selezione nell’intestino, che potrebbe alterare i percorsi di interazione ospite-microbioma. Tuttavia, gli esperimenti sono stati effettuatiin vitroa concentrazioni definite, e sono necessari ulteriori studi in vivo ed epidemiologici per determinare se effetti simili si verificano in condizioni di esposizione reali negli esseri umani e per definire i livelli di esposizione pertinenti.

Fonti: