Produsele chimice industriale și agricole modifică în liniște echilibrul microbilor intestinali

Produsele chimice industriale și agricole modifică în liniște echilibrul microbilor intestinali

Un studiu de laborator la scară largă arată că substanțele chimice utilizate pe scară largă fac mai mult decât contaminează alimentele și apa. Ele pot suprima, promova și reconecta în mod selectiv bacteriile intestinale, cu potențiale consecințe pentru echilibrul microbiomului și rezistența antimicrobiană.

Într-un studiu publicat recent în jurnalmicrobiologie naturală,Cercetătorii au observat că multe substanțe chimice agricole și industriale prezintă activitate antimicrobiană împotriva microbiotei intestinale umane și pot exercita o presiune selectivă asupra bacteriilor intestinale.in vitro.

Produsele chimice sintetice au devenit indispensabile pentru industrie și agricultură. Produsele chimice industriale și agricole intră în apă și alimente prin aplicații agricole, procesări industriale sau poluare a mediului. Contaminarea alimentelor și a apei cu poluanți chimici expune tractul gastrointestinal la compuși xenobiotici. Cu toate acestea, se știe puțin despre efectele acestor poluanți asupra bacteriilor intestinale în condiții controlate de laborator sau despre modul în care aceștia pot influența fitnessul și competiția microbiană.

Screening-ul efectelor chimice asupra microbilor intestinali

În studiul de față, cercetătorii au examinat efectele poluanților asupra bacteriilor intestinale folosind ain vitroAbordare de screening pentru a evalua inhibarea creșterii bacteriene și efectele de selecție. Ei au folosit o bibliotecă extinsă de 1.076 de compuși care ar putea pătrunde în apă și alimente; Biblioteca a inclus substanțe chimice industriale, pesticide, metaboliți ai pesticidelor și compuși care vizează organisme precum păianjeni, rozătoare, bacterii, ciuperci și nematode.

Testarea inhibiției creșterii în 22 de tulpini intestinale

Cercetătorii au examinat influența tuturor compușilor la 20 μM asupra creșterii a 22 de tulpini bacteriene intestinale selectate pe baza prevalenței și abundenței lor în microbiota intestinală sănătoasă. Bacteriile au fost crescute și monitorizate timp de 24 de ore; Creșterea a fost măsurată ca aria de sub curba de creștere. Loviturile de inhibare a creșterii au fost definite ca interacțiuni bacterio-chimice care au redus creșterea cu mai mult de 20%.

Substanțe chimice cu activitate antimicrobiană largă și îngustă

Echipa a descoperit că 168 de substanțe chimice au inhibat cel puțin o tulpină. În special BacteroidalesParabacteroides distasonisau fost cei mai sensibili taxoni, în timp ceAkkermansia muciniphilaŞiEscherichia coliau fost cei mai puțin sensibili. Fungicidele, substanțele chimice industriale și acaricidele au fost categoriile chimice cu activitate antimicrobiană predominantă, aproximativ o treime dintre fungicide și substanțele chimice industriale prezentând efecte inhibitoare. În timp ce majoritatea compușilor au inhibat câteva tulpini, 24 au prezentat o toxicitate largă, inhibând mai mult de o treime dintre tulpini.

Closantel (un antiparazitar pentru animale), bisfenol AF (BPAF; utilizat în materiale plastice), tetrabromobisfenol A (TBBPA; un ignifug), emamectin benzoat (un insecticid), fluazinam (un fungicid) și clordecona (un insecticid) au fost printre compușii cu activitate inhibitoare cu spectru larg. În plus, 150 de interacțiuni bacterio-chimice au arătat o inhibare a creșterii de peste 90%, indicând o activitate antimicrobiană puternică care poate duce la avantaje competitive sau pierderi între microbii intestinali.

Relații dintre sensibilitatea chimică și abundența microbiomului

Numărul de compuși care afectează o specie a fost corelat pozitiv cu abundența lor relativă în microbiomul uman, dar nu și cu prevalența. Prin urmare, substanțele chimice cu activitate îngustă sau largă ar putea influența compoziția microbiomului datorită efectelor lor asupra numeroși taxoni prin inhibarea și selecția diferențială a creșterii. Apoi, echipa a examinat modul în care efectele chimice la nivel de specie afectează comunitățile bacteriene. O comunitate sintetică, diversă de 20 de bacterii intestinale a fost provocată cu TBBPA sau BPAF pentru a evalua răspunsurile la nivel de comunitate.

Răspunsuri la nivel comunitar la BPAF și TBBPA

Cu toate acestea, modificările compoziționale induse de BPAF au fost în concordanță cu efectele monoculturiiEubacterium rectaleŞiFusobacterium nucleatumau fost protejați în comunitate chiar dacă erau vulnerabili în izolare. Cu TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicrona dominat comunitatea, în ciuda faptului că era vulnerabil în monoculturi, demonstrând modul în care contextul comunității poate modifica rezultatele de fitness sub presiune chimică. În continuare, cercetătorii au examinat mecanismele de interacțiune la speciile din ordinul Bacteroidales datorită sensibilității lor ridicate la poluanți.

Biblioteca mutantă de transpozon pentru identificarea genelor de toleranță

O bibliotecă de mutanți transpozoni (Tn) dinParabacteroides merdaecare conține mutanți de inserție Tn în peste 3.000 de gene neesențiale, a fost folosit pentru a identifica genele care modulează influența xenobioticelor asupra aptitudinii bacteriene. A fost efectuat un test de competiție împotriva a 10 substanțe chimice. Closantel, benzoat de emamectină, fluazinam, TBBPA, sulfat de imazalil și BPAF au fost testate la ≤20 μM, în timp ce glifosatul, acidul perfluorononanoic (PFNA), acidul perfluorooctanoic și propiconazolul au fost testate la ≥20 μM.

Culturile inoculate cu biblioteca de mutanți au fost crescute până la faza staționară timpurie și a fost utilizată secvențierea Tn cu coduri de bare pentru a cuantifica selecția mutanților Tn sub stres chimic. BPAF, closantel și TBBPA au prezentat cele mai puternice efecte în selecția bibliotecii dintre substanțele testate la ≤ 20 μM. În plus, 500 μM PFNA a arătat cele mai multe lovituri în general, în timp ce 50 μM glifosat, 20 μM PFNA și 20 μM acid perfluorooctanoic nu au dat rezultate semnificative.

Reglarea efluxului și mecanismele de rezistență identificate

În special, cea mai puternică selecție a fost observată pentru closantel, cu peste 90% dintre mutanții Tn purtând inserții în >20 de poziții diferite în gena NQ542_01170, care codifică un regulator transcripțional omolog cu acrR, un represor de eflux.Bacteroides uniformis. Pierderea acestui regulator a crescut toleranța la mai mulți poluanți și, de asemenea, a dus la creșterea rezistenței la antibioticul ciprofloxacin, evidențiind posibilele legături între expunerea la poluanți și rezistența la antibiotice prin căile comune de toleranță și eflux. Unii mutanți de transport Tn au prezentat o sensibilitate largă la poluanți, sugerând mecanisme comune de toleranță între eiP. merdae.

Căile conservate de toleranță la poluanți la Bacteroidales

Investigații ulterioare asupra mutanților dinB. thetaiotaomicronApartenența la o familie îndepărtatăP. merdaea dezvăluit răspunsuri comune între cele două specii și a susținut mecanisme conservate (de exemplu, căile de eflux) de toleranță la poluanți în întreaga comandă. În plus,P. merdaePentru majoritatea compușilor testați care afectează creșterea bacteriilor și performanța metabolică, loviturile genelor mutante de inserție Tn au fost îmbogățite în diferite căi metabolice.

Selecția controlată de poluanți a căilor metabolice

Selecția TBBPA a douăzeci de micromolare a arătat o îmbogățire semnificativă a mutanților Tn în calea de degradare a aminoacizilor cu lanț ramificat (BCAA). Grupul de gene catabolice porA (implicat în degradarea BCAA în acizi grași cu lanț scurt) a arătat, de asemenea, selecție pozitivă sub 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF și 500 μM PFNA. Mutanții de inserție Tn cu pierdere a funcției ai genelor de metabolism secundar, NQ542_07535–55, au prezentat selecție pozitivă sub 500 μM PFNA.

Implicații de anvergură pentru fitnessul și evoluția microbiomului

În total, studiul a identificat 588 de interacțiuni inhibitorii între 168 de substanțe chimice și bacterii intestinale umane, majoritatea dintre care anterior nu aveau proprietăți antibacteriene. Produsele chimice industriale și fungicidele au avut cel mai mare impact. Reglarea pompelor de eflux a fost un mecanism conservat între eleB. thetaiotaomicronŞiP. merdaeAcest lucru modelează toleranța și competitivitatea la stres chimic.

Selecția genetică înP. merdaea fost îmbogățit cu gene biosintetice și catabolice. Mutațiile cu pierderea funcției în genele care codifică enzimele implicate în metaboliții secundari au oferit un avantaj de creștere și au ridicat posibilitatea ca expunerea la poluanți chimici să influențeze peisajul de selecție din intestin, ceea ce ar putea modifica căile de interacțiune gazdă-microbiom. Cu toate acestea, experimentele au fost efectuatein vitrola concentrații definite și sunt necesare studii in vivo și epidemiologice suplimentare pentru a determina dacă efecte similare apar în condiții reale de expunere la oameni și pentru a defini nivelurile relevante de expunere.

Surse: