Industrielle og landbrukskjemikalier endrer stille balansen mellom tarmmikrober

Industrielle og landbrukskjemikalier endrer stille balansen mellom tarmmikrober

En storstilt laboratoriestudie viser at mye brukte kjemikalier gjør mer enn bare å forurense mat og vann. De kan selektivt undertrykke, fremme og omkoble tarmbakterier, med potensielle konsekvenser for mikrobiombalanse og antimikrobiell resistens.

I en studie nylig publisert i tidsskriftetnaturlig mikrobiologi,Forskere observerte at mange landbruks- og industrikjemikalier viser antimikrobiell aktivitet mot menneskets tarmmikrobiota og kan utøve selektivt press på tarmbakterierin vitro.

Syntetiske kjemikalier er blitt uunnværlige for industri og landbruk. Industrielle og landbrukskjemikalier kommer inn i vann og mat gjennom landbruksapplikasjoner, industriell prosessering eller miljøforurensning. Forurensning av mat og vann med kjemiske forurensninger utsetter mage-tarmkanalen for fremmedfremmede forbindelser. Imidlertid er lite kjent om effekten av disse forurensningene på tarmbakterier under kontrollerte laboratorieforhold eller hvordan de kan påvirke mikrobiell kondisjon og konkurranse.

Screening av kjemiske effekter på tarmmikrober

I denne studien undersøkte forskere effekten av forurensninger på tarmbakterier ved hjelp av enin vitroScreeningtilnærming for å vurdere bakterieveksthemming og seleksjonseffekter. De brukte et omfattende bibliotek med 1076 forbindelser som sannsynligvis kommer inn i vann og mat; Biblioteket inkluderte industrikjemikalier, plantevernmidler, plantevernmiddelmetabolitter og forbindelser som retter seg mot organismer som edderkopper, gnagere, bakterier, sopp og nematoder.

Tester veksthemming i 22 tarmstammer

Forskerne undersøkte påvirkningen av alle forbindelser ved 20 μM på veksten av 22 tarmbakteriestammer valgt basert på deres utbredelse og overflod i den sunne tarmmikrobiotaen. Bakterier ble dyrket og overvåket i 24 timer; Veksten ble målt som arealet under vekstkurven. Veksthemmingstreff ble definert som bakterie-kjemiske interaksjoner som reduserte veksten med mer enn 20 %.

Kjemikalier med bred og smal antimikrobiell aktivitet

Teamet fant at 168 kjemikalier hemmet minst én stamme. Spesielt BacteroidalesParabacteroides distasonisvar de mest sensitive taxaene, mensAkkermansia muciniphilaOgEscherichia colivar de minst følsomme. Soppdrepende midler, industrielle kjemikalier og akaricider var de kjemiske kategoriene med den dominerende antimikrobielle aktiviteten, med omtrent en tredjedel av soppdrepende midler og industrikjemikalier som viste hemmende effekter. Mens de fleste forbindelser hemmet noen få stammer, viste 24 bred toksisitet, og hemmet mer enn en tredjedel av stammene.

Closantel (et antiparasittisk middel for husdyr), bisfenol AF (BPAF; brukt i plast), tetrabrombisfenol A (TBBPA; et flammehemmende middel), emamectinbenzoat (et insektmiddel), fluazinam (et soppmiddel) og klordekon (et insektmiddel) var blant forbindelsene med bredspektret aktivitet. I tillegg viste 150 bakterie-kjemiske interaksjoner vekstinhibering på mer enn 90 %, noe som indikerer sterk antimikrobiell aktivitet som kan føre til konkurransefortrinn eller tap mellom tarmmikrober.

Forholdet mellom kjemisk følsomhet og mikrobiomoverflod

Antall forbindelser som påvirker en art var positivt korrelert med deres relative overflod i det menneskelige mikrobiom, men ikke med prevalens. Derfor kan kjemikalier med smal eller bred aktivitet påvirke sammensetningen av mikrobiomet på grunn av deres effekter på en rekke taxa gjennom differensiell vekstinhibering og seleksjon. Deretter undersøkte teamet hvordan kjemiske effekter på artsnivå påvirker bakteriesamfunn. Et syntetisk, mangfoldig fellesskap av 20 tarmbakterier ble utfordret med TBBPA eller BPAF for å vurdere responser på samfunnsnivå.

Svar på samfunnsnivå til BPAF og TBBPA

Imidlertid var BPAF-induserte komposisjonsendringer i samsvar med monokultureffekterEubacterium rectaleOgFusobacterium nucleatumble beskyttet i samfunnet selv om de var sårbare isolert. Med TBBPA,Bacteroides thetaiotaomikrondominerte samfunnet til tross for at de var sårbare i monokulturer, og demonstrerte hvordan samfunnets kontekst kan endre treningsresultater under kjemisk press. Deretter undersøkte forskerne interaksjonsmekanismene i arter av ordenen Bacteroidales på grunn av deres høye følsomhet for forurensninger.

Transposon mutantbibliotek for å identifisere toleransegener

Et transposon (Tn) mutantbibliotek fraParabacteroides merdaesom inneholder Tn-innsettingsmutanter i over 3000 ikke-essensielle gener, ble brukt til å identifisere gener som modulerer påvirkningen av xenobiotika på bakteriell kondisjon. Det ble gjennomført en konkurransetest mot 10 kjemikalier. Closantel, emamectinbenzoat, fluazinam, TBBPA, imazalilsulfat og BPAF ble testet ved ≤20 μM, mens glyfosat, perfluorononansyre (PFNA), perfluoroktansyre og propikonazol ble testet ved ≥20 μM.

Kulturer inokulert med mutantbiblioteket ble dyrket til tidlig stasjonær fase, og strekkodet Tn-sekvensering ble brukt for å kvantifisere seleksjon av Tn-mutanter under kjemisk stress. BPAF, closantel og TBBPA viste de sterkeste effektene i bibliotekseleksjon blant de testede stoffene ved ≤ 20 μM. Videre viste 500 μM PFNA flest treff totalt sett, mens 50 μM glyfosat, 20 μM PFNA og 20 μM perfluoroktansyre ikke ga signifikante treff.

Effektregulering og motstandsmekanismer identifisert

Spesielt ble den sterkeste seleksjonen observert for closantel, med over 90 % av Tn-mutanter som hadde innsettinger over >20 forskjellige posisjoner i NQ542_01170-genet, som koder for en transkripsjonsregulator som er homolog med acrR, en effluksrepressorBacteroides uniformis. Tap av denne regulatoren økte toleransen for flere forurensninger og resulterte også i økt resistens mot antibiotikumet ciprofloksacin, noe som fremhever mulige sammenhenger mellom forurensningseksponering og antibiotikaresistens gjennom delte toleranse- og utstrømningsveier. Noen transportør-Tn-mutanter viste bred følsomhet for forurensninger, noe som tyder på vanlige toleransemekanismer blant demP. merdae.

Bevarte forurensningstoleranseveier i Bacteroidales

Ytterligere undersøkelser av mutanter avB. thetaiotaomikronTilhøre en fjern familieP. merdaeavslørte vanlige responser mellom de to artene og støttet konserverte mekanismer (f.eks. utstrømningsveier) for forurensningstoleranse over hele rekkefølgen. I tillegg,P. merdaeFor de fleste testede forbindelser som påvirker bakterievekst og metabolsk ytelse, ble Tn-innsettingsmutante gentreff beriket i forskjellige metabolske veier.

Forurensningskontrollert utvalg av metabolske veier

Tjue mikromolar TBBPA-seleksjon viste betydelig berikelse av Tn-mutanter i nedbrytningsveien for forgrenet aminosyre (BCAA). Den katabolske genklyngen porA (involvert i BCAA-nedbrytning til kortkjedede fettsyrer) viste også positiv seleksjon under 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF og 500 μM PFNA. Tap av funksjon Tn-innsettingsmutanter av sekundære metabolismegener, NQ542_07535–55, viste positiv seleksjon under 500 μM PFNA.

Weitreichende Implikationen für die Fitness und Evolution des Mikrobioms

Totalt identifiserte studien 588 hemmende interaksjoner mellom 168 kjemikalier og menneskelige tarmbakterier, hvorav de fleste tidligere ikke hadde antibakterielle egenskaper. Industrikjemikalier og soppdrepende midler hadde størst påvirkning. Regulering av utløpspumper var en bevart mekanisme mellom demB. thetaiotaomikronOgP. merdaeDette former toleranse og konkurranseevne under kjemisk stress.

Genetisk utvalg iP. merdaeble beriket med biosyntetiske og katabolske gener. Tap av funksjonsmutasjoner i gener som koder for enzymer involvert i sekundære metabolitter ga en vekstfordel og økte muligheten for at eksponering for kjemiske forurensninger kunne påvirke seleksjonslandskapet i tarmen, noe som kan endre verts-mikrobium interaksjonsveier. Forsøkene ble imidlertid utførtin vitroved definerte konsentrasjoner, og ytterligere in vivo og epidemiologiske studier kreves for å fastslå om lignende effekter oppstår under reelle eksponeringsforhold hos mennesker og for å definere relevante eksponeringsnivåer.

Kilder: