Rūpnieciskās un lauksaimniecības ķimikālijas klusi maina zarnu mikrobu līdzsvaru

Rūpnieciskās un lauksaimniecības ķimikālijas klusi maina zarnu mikrobu līdzsvaru

Liela mēroga laboratorijas pētījums liecina, ka plaši izmantotās ķīmiskās vielas ne tikai piesārņo pārtiku un ūdeni. Tie var selektīvi nomākt, veicināt un pārvadīt zarnu baktērijas, kas var ietekmēt mikrobiomu līdzsvaru un pretmikrobu rezistenci.

Pētījumā, kas nesen publicēts žurnālādabiskā mikrobioloģija,Pētnieki novēroja, ka daudzām lauksaimniecības un rūpnieciskajām ķimikālijām ir pretmikrobu iedarbība pret cilvēka zarnu mikrobiotu un tās var selektīvu spiedienu uz zarnu baktērijām.in vitro.

Sintētiskās ķīmiskās vielas ir kļuvušas neaizstājamas rūpniecībā un lauksaimniecībā. Rūpnieciskās un lauksaimniecības ķimikālijas nonāk ūdenī un pārtikā, izmantojot lauksaimniecību, rūpniecisko apstrādi vai vides piesārņojumu. Pārtikas un ūdens piesārņojums ar ķīmiskiem piesārņotājiem pakļauj kuņģa-zarnu traktu ksenobiotisku savienojumu iedarbībai. Tomēr ir maz zināms par šo piesārņojošo vielu ietekmi uz zarnu baktērijām kontrolētos laboratorijas apstākļos vai to, kā tie var ietekmēt mikrobu piemērotību un konkurenci.

Ķīmiskās ietekmes uz zarnu mikrobiem skrīnings

Šajā pētījumā pētnieki pētīja piesārņojošo vielu ietekmi uz zarnu baktērijām, izmantojot ain vitroSkrīninga pieeja, lai novērtētu baktēriju augšanas kavēšanas un selekcijas efektus. Viņi izmantoja plašu bibliotēku ar 1076 savienojumiem, kas, visticamāk, nonāks ūdenī un pārtikā; Bibliotēkā bija iekļautas rūpnieciskās ķīmiskās vielas, pesticīdi, pesticīdu metabolīti un savienojumi, kuru mērķis ir organismi, piemēram, zirnekļi, grauzēji, baktērijas, sēnītes un nematodes.

Augšanas kavēšanas pārbaude 22 zarnu celmos

Pētnieki pētīja visu savienojumu ietekmi pie 20 μM uz 22 zarnu baktēriju celmu augšanu, kas atlasīti, pamatojoties uz to izplatību un pārpilnību veselīgā zarnu mikrobiotā. Baktērijas tika audzētas un uzraudzītas 24 stundas; Izaugsme tika mērīta kā laukums zem augšanas līknes. Augšanas kavēšanas trāpījumi tika definēti kā baktēriju ķīmiskās mijiedarbības, kas samazināja augšanu par vairāk nekā 20%.

Ķīmiskās vielas ar plašu un šauru pretmikrobu iedarbību

Komanda atklāja, ka 168 ķīmiskās vielas inhibēja vismaz vienu celmu. Īpaši BacteroidalesParabacteroides distasonisbija visjutīgākie taksoni, turpretimAkkermansia muciniphilaUnEscherichia colibija vismazāk jūtīgi. Fungicīdi, rūpnieciskās ķīmiskās vielas un akaricīdi bija ķīmiskās kategorijas ar dominējošo pretmikrobu iedarbību, un aptuveni vienai trešdaļai fungicīdu un rūpniecisko ķīmisko vielu bija inhibējoša iedarbība. Lai gan lielākā daļa savienojumu inhibēja dažus celmus, 24 uzrādīja plašu toksicitāti, inhibējot vairāk nekā trešdaļu celmu.

Klosantels (pretparazītu līdzeklis lopiem), bisfenols AF (BPAF; izmanto plastmasā), tetrabromobisfenols A (TBBPA; liesmas slāpētājs), emamektīna benzoāts (insekticīds), fluazināms (fungicīds) un hlordekons (plaša iedarbības insekticīda savienojums) bija. Turklāt 150 baktēriju ķīmiskās mijiedarbības uzrādīja augšanas kavēšanu par vairāk nekā 90%, norādot uz spēcīgu pretmikrobu aktivitāti, kas var radīt konkurences priekšrocības vai zaudējumus starp zarnu mikrobiem.

Saistība starp ķīmisko jutību un mikrobiomu pārpilnību

Savienojumu skaits, kas ietekmē sugu, bija pozitīvi korelēts ar to relatīvo daudzumu cilvēka mikrobiomā, bet ne ar izplatību. Tāpēc ķīmiskas vielas ar šauru vai plašu aktivitāti var ietekmēt mikrobioma sastāvu, jo tās ietekmē daudzus taksonus, izmantojot diferenciālu augšanas kavēšanu un atlasi. Pēc tam komanda pārbaudīja, kā sugas līmeņa ķīmiskā iedarbība ietekmē baktēriju kopienas. Sintētiska, daudzveidīga 20 zarnu baktēriju kopiena tika izaicināta ar TBBPA vai BPAF, lai novērtētu kopienas līmeņa reakcijas.

Kopienas līmeņa atbildes uz BPAF un TBBPA

Tomēr BPAF izraisītās sastāva izmaiņas atbilda monokultūras ietekmeiEubacterium rectaleUnFusobacterium nucleatumtika aizsargāti kopienā, lai gan viņi bija neaizsargāti atsevišķi. Ar TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicrondominēja sabiedrībā, neskatoties uz to, ka monokultūras ir neaizsargātas, parādot, kā kopienas konteksts ķīmiskā spiediena ietekmē var mainīt fitnesa rezultātus. Pēc tam pētnieki pētīja mijiedarbības mehānismus Bacteroidales kārtas sugās, jo tās ir ļoti jutīgas pret piesārņotājiem.

Transposona mutantu bibliotēka tolerances gēnu identificēšanai

Transposona (Tn) mutantu bibliotēka noParabacteroides merdaekas satur Tn ievietošanas mutantus vairāk nekā 3000 nebūtiskos gēnos, tika izmantots, lai identificētu gēnus, kas modulē ksenobiotiku ietekmi uz baktēriju piemērotību. Konkursa tests tika veikts pret 10 ķīmiskām vielām. Klosantels, emamektīna benzoāts, fluazināms, TBBPA, imazalila sulfāts un BPAF tika pārbaudīti pie ≤20 μM, savukārt glifosāts, perfluoronānskābe (PFNA), perfluoroktānskābe un propikonazols tika pārbaudīti pie ≥20 μM.

Kultūras, kas inokulētas ar mutantu bibliotēku, tika audzētas līdz agrīnai stacionārai fāzei, un, lai kvantitatīvi noteiktu Tn mutantu atlasi ķīmiskā stresa apstākļos, tika izmantota svītrkoda Tn sekvencēšana. BPAF, klozantels un TBBPA uzrādīja spēcīgāko ietekmi bibliotēku atlasē starp pārbaudītajām vielām pie ≤ 20 μM. Turklāt 500 μM PFNA kopumā uzrādīja visvairāk trāpījumu, savukārt 50 μM glifosāts, 20 μM PFNA un 20 μM perfluoroktānskābe nedeva nozīmīgus trāpījumus.

Identificēti izplūdes regulēšanas un pretestības mehānismi

Konkrēti, spēcīgākā atlase tika novērota klosantelam, vairāk nekā 90% Tn mutantu ievietoja vairāk nekā 20 dažādās pozīcijās NQ542_01170 gēnā, kas kodē transkripcijas regulatoru, kas ir homologs ar acrR, izplūdes represoru.Bacteroides uniformis. Šī regulatora zaudēšana palielināja toleranci pret vairākiem piesārņotājiem, kā arī palielināja rezistenci pret antibiotiku ciprofloksacīnu, izceļot iespējamās saiknes starp piesārņojošo vielu iedarbību un rezistenci pret antibiotikām, izmantojot kopīgus tolerances un izplūdes ceļus. Daži transportera Tn mutanti uzrādīja plašu jutību pret piesārņotājiem, kas liecina par kopīgiem tolerances mehānismiem.P. merdae.

Konservēti piesārņotāju tolerances ceļi Bacteroidales

Turpmāki mutantu pētījumiB. thetaiotaomicronPiederība attālai ģimeneiP. merdaeatklāja kopīgas atbildes starp abām sugām un atbalstīja konservētus mehānismus (piemēram, izplūdes ceļus) piesārņotāju tolerancei visā secībā. TurklātP. merdaeLielākajai daļai pārbaudīto savienojumu, kas ietekmē baktēriju augšanu un vielmaiņas veiktspēju, Tn ievietošanas mutantu gēnu trāpījumi tika bagātināti ar dažādiem vielmaiņas ceļiem.

Piesārņojošo vielu kontrolēta vielmaiņas ceļu izvēle

Divdesmit mikromolāru TBBPA atlase parādīja ievērojamu Tn mutantu bagātināšanos sazarotās ķēdes aminoskābju (BCAA) degradācijas ceļā. Kataboliskā gēnu klasteris porA (iesaistīts BCAA sadalīšanā īsās ķēdes taukskābēs) arī uzrādīja pozitīvu atlasi zem 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF un 500 μM PFNA. Sekundārā metabolisma gēnu NQ542_07535–55 funkciju zaudēšanas Tn ievietošanas mutanti uzrādīja pozitīvu atlasi zem 500 μM PFNA.

Tālejoša ietekme uz mikrobioma piemērotību un attīstību

Kopumā pētījumā tika konstatētas 588 inhibējošas mijiedarbības starp 168 ķīmiskām vielām un cilvēka zarnu baktērijām, no kurām lielākajai daļai iepriekš nebija antibakteriālu īpašību. Vislielākā ietekme bija rūpnieciskajām ķimikālijām un fungicīdiem. Izplūdes sūkņu regulēšana bija saglabāts mehānisms starp tiemB. thetaiotaomicronUnP. merdaeTas veido toleranci un konkurētspēju ķīmiskā stresa apstākļos.

Ģenētiskā atlase iekšāP. merdaetika bagātināts ar biosintētiskiem un kataboliskiem gēniem. Funkcijas zuduma mutācijas gēnos, kas kodē sekundārajos metabolītos iesaistītos enzīmus, nodrošināja augšanas priekšrocības un palielināja iespēju, ka ķīmisko piesārņotāju iedarbība var ietekmēt atlases ainavu zarnās, kas varētu mainīt saimnieka un mikrobioma mijiedarbības ceļus. Tomēr eksperimenti tika veiktiin vitronoteiktās koncentrācijās, un ir nepieciešami turpmāki in vivo un epidemioloģiskie pētījumi, lai noteiktu, vai līdzīga iedarbība notiek reālos iedarbības apstākļos uz cilvēkiem, un lai noteiktu attiecīgos iedarbības līmeņus.

Avoti: