Industrijske in kmetijske kemikalije tiho spreminjajo ravnovesje črevesnih mikrobov

Industrijske in kmetijske kemikalije tiho spreminjajo ravnovesje črevesnih mikrobov

Obsežna laboratorijska študija kaže, da široko uporabljene kemikalije ne onesnažujejo le hrane in vode. Lahko selektivno zatrejo, spodbujajo in ponovno vzpostavijo črevesne bakterije, kar ima potencialne posledice za ravnovesje mikrobioma in protimikrobno odpornost.

V študiji, nedavno objavljeni v revijinaravna mikrobiologija,Raziskovalci so ugotovili, da številne kmetijske in industrijske kemikalije kažejo protimikrobno delovanje proti človeški črevesni mikrobioti in lahko izvajajo selektiven pritisk na črevesne bakterije.in vitro.

Sintetične kemikalije so postale nepogrešljive v industriji in kmetijstvu. Industrijske in kmetijske kemikalije vstopajo v vodo in hrano s kmetijsko uporabo, industrijsko predelavo ali onesnaževanjem okolja. Kontaminacija hrane in vode s kemičnimi onesnaževalci izpostavi gastrointestinalni trakt ksenobiotičnim spojinam. Vendar pa je malo znanega o učinkih teh onesnaževal na črevesne bakterije v nadzorovanih laboratorijskih pogojih ali o tem, kako lahko vplivajo na mikrobno sposobnost in konkurenco.

Preverjanje kemičnih učinkov na črevesne mikrobe

V tej študiji so raziskovalci preučevali učinke onesnaževal na črevesne bakterije z uporabo ain vitroPresejalni pristop za oceno učinkov inhibicije rasti bakterij in selekcije. Uporabili so obsežno knjižnico 1076 spojin, za katere je verjetno, da pridejo v vodo in hrano; Knjižnica je vključevala industrijske kemikalije, pesticide, metabolite pesticidov in spojine, ki ciljajo na organizme, kot so pajki, glodalci, bakterije, glive in ogorčice.

Testiranje zaviranja rasti pri 22 črevesnih sevih

Raziskovalci so preučevali vpliv vseh spojin pri 20 μM na rast 22 sevov črevesnih bakterij, izbranih na podlagi njihove razširjenosti in številčnosti v zdravi črevesni mikrobioti. Bakterije so gojili in spremljali 24 ur; Rast so merili kot površino pod krivuljo rasti. Zadetki zaviranja rasti so bili definirani kot bakterijsko-kemične interakcije, ki so zmanjšale rast za več kot 20 %.

Kemikalije s širokim in ozkim protimikrobnim delovanjem

Ekipa je ugotovila, da 168 kemikalij zavira vsaj en sev. Še posebej BacteroidalesParabacteroides distasonisbili najbolj občutljivi taksoni, medtem koAkkermansia muciniphilainEscherichia colibili najmanj občutljivi. Fungicidi, industrijske kemikalije in akaricidi so bile kemijske kategorije s prevladujočim protimikrobnim delovanjem, pri čemer ima približno ena tretjina fungicidov in industrijskih kemikalij zaviralne učinke. Medtem ko je večina spojin zavirala nekaj sevov, jih je 24 pokazalo široko toksičnost in zaviralo več kot tretjino sevov.

Klosantel (protiparazitik za živino), bisfenol AF (BPAF; uporablja se v plastiki), tetrabromobisfenol A (TBBPA; zaviralec gorenja), emamektin benzoat (insekticid), fluazinam (fungicid) in klordekon (insekticid) so bili med spojinami s širokim spektrom inhibitornega delovanja. Poleg tega je 150 bakterijsko-kemičnih interakcij pokazalo več kot 90-odstotno inhibicijo rasti, kar kaže na močno protimikrobno aktivnost, ki lahko povzroči konkurenčne prednosti ali izgube med črevesnimi mikrobi.

Razmerja med kemično občutljivostjo in številčnostjo mikrobioma

Število spojin, ki vplivajo na vrsto, je bilo v pozitivni korelaciji z njihovo relativno številčnostjo v človeškem mikrobiomu, ne pa tudi z razširjenostjo. Zato bi lahko kemikalije z ozko ali široko aktivnostjo vplivale na sestavo mikrobioma zaradi svojih učinkov na številne taksone z diferencialno inhibicijo rasti in selekcijo. Nato je ekipa preučila, kako kemični učinki na ravni vrste vplivajo na bakterijske skupnosti. Sintetično, raznoliko skupnost 20 črevesnih bakterij smo izzvali s TBBPA ali BPAF, da bi ocenili odzive na ravni skupnosti.

Odzivi na ravni skupnosti na BPAF in TBBPA

Vendar so bile spremembe sestave, ki jih povzroča BPAF, skladne z učinki monokultureEubacterium rectaleinFusobacterium nucleatumso bili v skupnosti zaščiteni, čeprav so bili v izolaciji ranljivi. S TBBPA,Bacteroides thetaiotaomicronprevladoval v skupnosti kljub temu, da je bil ranljiv v monokulturah, kar je pokazalo, kako lahko kontekst skupnosti spremeni rezultate telesne pripravljenosti pod kemičnim pritiskom. Nato so raziskovalci preučili mehanizme interakcij pri vrstah reda Bacteroidales zaradi njihove visoke občutljivosti na onesnaževala.

Transposonska mutirana knjižnica za identifikacijo tolerančnih genov

Knjižnica mutant transposona (Tn) izParabacteroides merdaeki vsebuje Tn insercijske mutante v več kot 3000 nebistvenih genih, je bil uporabljen za identifikacijo genov, ki modulirajo vpliv ksenobiotikov na sposobnost bakterij. Tekmovalni test je bil izveden proti 10 kemikalijam. Klosantel, emamektin benzoat, fluazinam, TBBPA, imazalil sulfat in BPAF so bili testirani pri ≤20 μM, medtem ko so bili glifosat, perfluorononanojska kislina (PFNA), perfluorooktanojska kislina in propikonazol testirani pri ≥20 μM.

Kulture, cepljene z mutantno knjižnico, so bile gojene do zgodnje stacionarne faze, sekvenciranje Tn s črtno kodo pa je bilo uporabljeno za kvantificiranje selekcije Tn mutantov pod kemičnim stresom. BPAF, closantel in TBBPA so pokazali najmočnejše učinke pri izboru knjižnice med testiranimi snovmi pri ≤ 20 μM. Poleg tega je 500 μM PFNA na splošno pokazalo največ zadetkov, medtem ko 50 μM glifosat, 20 μM PFNA in 20 μM perfluorooktanojska kislina niso prinesli pomembnih zadetkov.

Identificirani mehanizmi regulacije iztoka in odpornosti

Predvsem je bila najmočnejša selekcija opažena pri klosantelu, pri čemer je več kot 90 % mutantov Tn nosilo vstavke čez > 20 različnih položajev v genu NQ542_01170, ki kodira transkripcijski regulator, homologen acrR, zaviralcu iztokaBacteroides uniformis. Izguba tega regulatorja je povečala toleranco na več onesnaževal in povzročila tudi povečano odpornost na antibiotik ciprofloksacin, kar je poudarilo možne povezave med izpostavljenostjo onesnaželu in odpornostjo na antibiotike prek skupne tolerance in iztočnih poti. Nekateri mutanti prenašalca Tn so pokazali široko občutljivost na onesnaževala, kar kaže na skupne mehanizme tolerance med njimiP. merdae.

Ohranjene poti tolerance onesnaževalcev pri Bacteroidales

Nadaljnje preiskave mutantovB. thetaiotaomicronPripadnost oddaljeni družiniP. merdaerazkrila skupne odzive med obema vrstama in podprla ohranjene mehanizme (npr. iztočne poti) tolerance onesnaževal v celotnem redu. Poleg tegaP. merdaeZa večino testiranih spojin, ki vplivajo na rast bakterij in presnovno delovanje, so bili zadetki mutantnega gena z vstavitvijo Tn obogateni z različnimi presnovnimi potemi.

Izbira presnovnih poti pod nadzorom onesnaževal

Izbor dvajsetih mikromolarnih TBBPA je pokazal znatno obogatitev Tn mutantov v razgradni poti aminokislin z razvejeno verigo (BCAA). Katabolični genski grozd porA (vpleten v razgradnjo BCAA v kratkoverižne maščobne kisline) je prav tako pokazal pozitivno selekcijo pod 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF in 500 μM PFNA. Mutanti genov za sekundarni metabolizem z izgubo funkcije Tn, NQ542_07535–55, so pokazali pozitivno selekcijo pod 500 μM PFNA.

Daljnosežne posledice za sposobnost in razvoj mikrobioma

Skupno je študija odkrila 588 zaviralnih interakcij med 168 kemikalijami in človeškimi črevesnimi bakterijami, od katerih večina prej ni imela antibakterijskih lastnosti. Največji vpliv so imele industrijske kemikalije in fungicidi. Regulacija iztočnih črpalk je bila ohranjen mehanizem med njimiB. thetaiotaomicroninP. merdaeTo oblikuje toleranco in tekmovalnost pod kemičnim stresom.

Genetska selekcija vP. merdaeje bil obogaten z biosintetskimi in katabolnimi geni. Mutacije zaradi izgube funkcije v genih, ki kodirajo encime, vključene v sekundarne presnovke, so zagotovile prednost pri rasti in povečale možnost, da bi izpostavljenost kemičnim onesnaževalom lahko vplivala na selekcijsko pokrajino v črevesju, kar bi lahko spremenilo poti interakcije gostitelj-mikrobiom. Vendar so bili poskusi izvedeniin vitropri določenih koncentracijah, potrebne pa so nadaljnje in vivo in epidemiološke študije, da se ugotovi, ali se podobni učinki pojavljajo v dejanskih pogojih izpostavljenosti pri ljudeh, in da se opredelijo ustrezne ravni izpostavljenosti.

Viri: