Industriële en agrarische chemicaliën veranderen stilletjes de balans van darmmicroben

Industriële en agrarische chemicaliën veranderen stilletjes de balans van darmmicroben

Uit een grootschalig laboratoriumonderzoek blijkt dat veelgebruikte chemicaliën meer doen dan alleen voedsel en water vervuilen. Ze kunnen darmbacteriën selectief onderdrukken, bevorderen en opnieuw bedraden, met mogelijke gevolgen voor het microbioomevenwicht en de antimicrobiële resistentie.

Dat blijkt uit een onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerdnatuurlijke microbiologie,Onderzoekers hebben vastgesteld dat veel landbouw- en industriële chemicaliën antimicrobiële activiteit vertonen tegen de menselijke darmmicrobiota en selectieve druk kunnen uitoefenen op darmbacteriën.in vitro.

Synthetische chemicaliën zijn onmisbaar geworden voor de industrie en de landbouw. Industriële en landbouwchemicaliën komen in water en voedsel terecht via landbouwtoepassingen, industriële verwerking of milieuvervuiling. Verontreiniging van voedsel en water door chemische verontreinigende stoffen stelt het maagdarmkanaal bloot aan xenobiotische verbindingen. Er is echter weinig bekend over de effecten van deze verontreinigende stoffen op darmbacteriën onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden of over de manier waarop ze de microbiële fitheid en concurrentie kunnen beïnvloeden.

Screening van chemische effecten op darmmicroben

In de huidige studie onderzochten onderzoekers de effecten van verontreinigende stoffen op darmbacteriën met behulp van eenin vitroScreeningsaanpak om bacteriële groeiremming en selectie-effecten te beoordelen. Ze gebruikten een uitgebreide bibliotheek van 1.076 verbindingen die waarschijnlijk in water en voedsel terechtkomen; De bibliotheek omvatte industriële chemicaliën, pesticiden, metabolieten van pesticiden en verbindingen die zich richten op organismen zoals spinnen, knaagdieren, bacteriën, schimmels en nematoden.

Testen van groeiremming bij 22 darmstammen

De onderzoekers onderzochten de invloed van alle verbindingen bij 20 μM op de groei van 22 darmbacteriestammen, geselecteerd op basis van hun prevalentie en overvloed in de gezonde darmmicrobiota. Bacteriën werden gedurende 24 uur gekweekt en gevolgd; De groei werd gemeten als het gebied onder de groeicurve. Groeiremmingshits werden gedefinieerd als bacterieel-chemische interacties die de groei met meer dan 20% verminderden.

Chemische stoffen met brede en smalle antimicrobiële activiteit

Het team ontdekte dat 168 chemicaliën minstens één stam remden. Vooral BacteroidalesParabacteroides distasoniswaren de meest gevoelige taxa, terwijlAkkermansia muciniphilaEnEscherichia coliwaren het minst gevoelig. Fungiciden, industriële chemicaliën en acariciden waren de chemische categorieën met de overheersende antimicrobiële activiteit, waarbij ongeveer een derde van de fungiciden en industriële chemicaliën remmende effecten vertoonden. Hoewel de meeste verbindingen een paar stammen remden, vertoonden 24 een brede toxiciteit, waarbij meer dan een derde van de stammen werd geremd.

Closantel (een antiparasitair middel voor vee), bisfenol AF (BPAF; gebruikt in kunststoffen), tetrabroombisfenol A (TBBPA; een vlamvertrager), emamectinebenzoaat (een insecticide), fluazinam (een fungicide) en chloordecon (een insecticide) behoorden tot de verbindingen met breedspectrumremmende activiteit. Bovendien vertoonden 150 bacterieel-chemische interacties een groeiremming van meer dan 90%, wat wijst op een sterke antimicrobiële activiteit die kan leiden tot concurrentievoordelen of verliezen tussen darmmicroben.

Relaties tussen chemische gevoeligheid en overvloed aan microbioom

Het aantal verbindingen dat een soort aantast, was positief gecorreleerd met hun relatieve overvloed in het menselijke microbioom, maar niet met de prevalentie. Daarom kunnen chemicaliën met een beperkte of brede activiteit de samenstelling van het microbioom beïnvloeden vanwege hun effecten op talrijke taxa door middel van differentiële groeiremming en selectie. Vervolgens onderzocht het team hoe chemische effecten op soortniveau de bacteriële gemeenschappen beïnvloeden. Een synthetische, diverse gemeenschap van twintig darmbacteriën werd uitgedaagd met TBBPA of BPAF om de reacties op gemeenschapsniveau te beoordelen.

Reacties op gemeenschapsniveau op BPAF en TBBPA

Door BPAF geïnduceerde veranderingen in de samenstelling waren echter consistent met monocultuureffectenEubacterium rectaleEnFusobacterium nucleatumwerden beschermd in de gemeenschap, ook al waren ze in hun isolement kwetsbaar. Met TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicrondomineerde de gemeenschap ondanks dat ze kwetsbaar waren in monoculturen, wat aantoont hoe de gemeenschapscontext de fitnessresultaten onder chemische druk kan veranderen. Vervolgens onderzochten de onderzoekers de interactiemechanismen bij soorten van de orde Bacteroidales vanwege hun hoge gevoeligheid voor verontreinigende stoffen.

Transposon-mutantbibliotheek voor het identificeren van tolerantiegenen

Een transposon (Tn) mutantbibliotheek vanParabacteroides merdaedat Tn-insertiemutanten bevat in meer dan 3.000 niet-essentiële genen, werd gebruikt om genen te identificeren die de invloed van xenobiotica op de bacteriële fitheid moduleren. Er werd een concurrentietest uitgevoerd tegen 10 chemicaliën. Closantel, emamectinebenzoaat, fluazinam, TBBPA, imazalilsulfaat en BPAF werden getest bij ≤20 μM, terwijl glyfosaat, perfluornonaanzuur (PFNA), perfluoroctaanzuur en propiconazol werden getest bij ≥20 μM.

Culturen die met de mutantenbibliotheek waren geïnoculeerd, werden tot een vroege stationaire fase gekweekt en Tn-sequencing met streepjescodes werd gebruikt om de selectie van Tn-mutanten onder chemische stress te kwantificeren. BPAF, closantel en TBBPA vertoonden de sterkste effecten bij bibliotheekselectie onder de geteste stoffen bij ≤ 20 μM. Bovendien vertoonde 500 μM PFNA in totaal de meeste hits, terwijl 50 μM glyfosaat, 20 μM PFNA en 20 μM perfluoroctaanzuur geen significante hits opleverden.

Effluxregulatie en resistentiemechanismen geïdentificeerd

Met name werd de sterkste selectie waargenomen voor closantel, waarbij meer dan 90% van de Tn-mutanten inserties dragen over> 20 verschillende posities in het NQ542_01170-gen, dat codeert voor een transcriptionele regulator die homoloog is aan acrR, een effluxrepressor.Bacteroides uniformis. Het verlies van deze regulator verhoogde de tolerantie voor meerdere verontreinigende stoffen en resulteerde ook in een verhoogde resistentie tegen het antibioticum ciprofloxacine, wat mogelijke verbanden benadrukt tussen blootstelling aan verontreinigende stoffen en antibioticaresistentie via gedeelde tolerantie- en effluxroutes. Sommige transporter-Tn-mutanten vertoonden een brede gevoeligheid voor verontreinigende stoffen, wat duidt op gemeenschappelijke tolerantiemechanismen onder henP. merdae.

Geconserveerde tolerantieroutes voor verontreinigende stoffen in Bacteroidales

Verder onderzoek naar mutanten vanB. thetaiotaomicronBehoort tot een verre familieP. merdaeonthulde gemeenschappelijke reacties tussen de twee soorten en ondersteunde geconserveerde mechanismen (bijv. Uitstroomroutes) van tolerantie voor verontreinigende stoffen over de hele orde. Aanvullend,P. merdaeVoor de meeste geteste verbindingen die de bacteriële groei en metabolische prestaties beïnvloeden, waren Tn-insertiemutante genhits verrijkt in verschillende metabolische routes.

Door verontreinigende stoffen gecontroleerde selectie van metabolische routes

Twintig micromolaire TBBPA-selectie toonde een significante verrijking van Tn-mutanten in de afbraakroute van vertakte aminozuren (BCAA). Het katabole gencluster porA (betrokken bij de afbraak van BCAA tot vetzuren met een korte keten) vertoonde ook positieve selectie onder 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF en 500 μM PFNA. Functieverlies Tn-insertiemutanten van secundaire metabolismegenen, NQ542_07535-55, vertoonden positieve selectie onder 500 μM PFNA.

Verreikende implicaties voor de fitheid en evolutie van het microbioom

In totaal identificeerde het onderzoek 588 remmende interacties tussen 168 chemicaliën en menselijke darmbacteriën, waarvan de meeste voorheen geen antibacteriële eigenschappen hadden. Industriële chemicaliën en fungiciden hadden de grootste impact. Regeling van effluxpompen was een behouden mechanisme tussen henB. thetaiotaomicronEnP. merdaeDit vormt tolerantie en concurrentievermogen onder chemische stress.

Genetische selectie binnenP. merdaewas verrijkt met biosynthetische en katabole genen. Mutaties met functieverlies in genen die coderen voor enzymen die betrokken zijn bij secundaire metabolieten zorgden voor een groeivoordeel en vergrootten de mogelijkheid dat blootstelling aan chemische verontreinigende stoffen het selectielandschap in de darmen zou kunnen beïnvloeden, wat de interactieroutes tussen gastheer en microbioom zou kunnen veranderen. De experimenten werden echter uitgevoerdin vitrobij gedefinieerde concentraties, en er zijn verdere in vivo en epidemiologische onderzoeken nodig om te bepalen of vergelijkbare effecten optreden onder reële blootstellingsomstandigheden bij mensen en om relevante blootstellingsniveaus te definiëren.

Bronnen: