Industri- och jordbrukskemikalier ändrar tyst balansen mellan tarmmikrober

Industri- och jordbrukskemikalier ändrar tyst balansen mellan tarmmikrober

En storskalig laboratoriestudie visar att mycket använda kemikalier gör mer än att bara förorena mat och vatten. De kan selektivt undertrycka, främja och koppla om tarmbakterier, med potentiella konsekvenser för mikrobiombalans och antimikrobiell resistens.

I en studie som nyligen publicerats i tidskriftennaturlig mikrobiologi,Forskare observerade att många jordbrukskemikalier och industrikemikalier uppvisar antimikrobiell aktivitet mot människans tarmmikrobiota och kan utöva selektivt tryck på tarmbakterierin vitro.

Syntetiska kemikalier har blivit oumbärliga för industri och jordbruk. Industri- och jordbrukskemikalier kommer in i vatten och livsmedel genom jordbrukstillämpningar, industriell bearbetning eller miljöföroreningar. Kontaminering av mat och vatten med kemiska föroreningar utsätter mag-tarmkanalen för främlingsfientliga föreningar. Lite är dock känt om effekterna av dessa föroreningar på tarmbakterier under kontrollerade laboratorieförhållanden eller hur de kan påverka mikrobiell kondition och konkurrens.

Screening av kemiska effekter på tarmmikrober

I den aktuella studien undersökte forskare effekterna av föroreningar på tarmbakterier med hjälp av enin vitroScreeningmetod för att bedöma bakteriell tillväxthämning och selektionseffekter. De använde ett omfattande bibliotek med 1 076 föreningar som sannolikt kommer in i vatten och mat; Biblioteket inkluderade industrikemikalier, bekämpningsmedel, bekämpningsmedelsmetaboliter och föreningar som riktar sig mot organismer som spindlar, gnagare, bakterier, svampar och nematoder.

Testar tillväxthämning i 22 tarmstammar

Forskarna undersökte inverkan av alla föreningar vid 20 μM på tillväxten av 22 tarmbakteriestammar utvalda baserat på deras förekomst och förekomst i den friska tarmmikrobiotan. Bakterier odlades och övervakades under 24 timmar; Tillväxten mättes som arean under tillväxtkurvan. Tillväxthämningsträffar definierades som bakterie-kemiska interaktioner som minskade tillväxten med mer än 20 %.

Kemikalier med bred och snäv antimikrobiell aktivitet

Teamet fann att 168 kemikalier hämmade minst en stam. Särskilt BacteroidalesParabacteroides distasonisvar de känsligaste taxorna, medanAkkermansia muciniphilaOchEscherichia colivar de minst känsliga. Fungicider, industrikemikalier och akaricider var de kemiska kategorierna med den dominerande antimikrobiella aktiviteten, med ungefär en tredjedel av fungicider och industrikemikalier som uppvisade hämmande effekter. Medan de flesta föreningar hämmade ett fåtal stammar, visade 24 bred toxicitet, vilket hämmade mer än en tredjedel av stammarna.

Closantel (ett antiparasit för boskap), bisfenol AF (BPAF; används i plast), tetrabrombisfenol A (TBBPA; ett flamskyddsmedel), emamectinbensoat (en insekticid), fluazinam (en svampdödande medel) och klordekon (en insekticid) var bland föreningarna med bred verkan. Dessutom visade 150 bakterie-kemiska interaktioner tillväxthämning på mer än 90 %, vilket tyder på stark antimikrobiell aktivitet som kan leda till konkurrensfördelar eller förluster mellan tarmmikrober.

Samband mellan kemisk känslighet och mikrobiom överflöd

Antalet föreningar som påverkar en art var positivt korrelerat med deras relativa förekomst i den mänskliga mikrobiomet, men inte med prevalensen. Därför kan kemikalier med smal eller bred aktivitet påverka sammansättningen av mikrobiomet på grund av deras effekter på många taxa genom differentiell tillväxthämning och selektion. Därefter undersökte teamet hur kemiska effekter på artnivå påverkar bakteriesamhällen. En syntetisk, mångsidig gemenskap av 20 tarmbakterier utmanades med TBBPA eller BPAF för att bedöma svar på samhällsnivå.

Svar på gemenskapsnivå på BPAF och TBBPA

Emellertid var BPAF-inducerade sammansättningsförändringar förenliga med monokultureffekterEubacterium rectaleOchFusobacterium nucleatumvar skyddade i samhället trots att de var sårbara isolerat. Med TBBPA,Bacteroides thetaiotaomikrondominerade samhället trots att de var sårbara i monokulturer, vilket visar hur samhällssammanhang kan förändra träningsresultat under kemisk press. Därefter undersökte forskarna interaktionsmekanismerna hos arter av ordningen Bacteroidales på grund av deras höga känslighet för föroreningar.

Transposonmutantbibliotek för identifiering av toleransgener

Ett transposon (Tn) mutantbibliotek frånParabacteroides merdaesom innehåller Tn-insättningsmutanter i över 3 000 icke-essentiella gener, användes för att identifiera gener som modulerar påverkan av främlingsfientliga läkemedel på bakteriell kondition. Ett tävlingstest genomfördes mot 10 kemikalier. Closantel, emamektinbensoat, fluazinam, TBBPA, imazalilsulfat och BPAF testades vid ≤20 μM, medan glyfosat, perfluorononansyra (PFNA), perfluoroktansyra och propikonazol testades vid ≥20 μM.

Kulturer inokulerade med mutantbiblioteket odlades till tidig stationär fas, och streckkodad Tn-sekvensering användes för att kvantifiera urval av Tn-mutanter under kemisk stress. BPAF, closantel och TBBPA visade de starkaste effekterna i biblioteksurval bland de testade substanserna vid ≤ 20 μM. Dessutom visade 500 μM PFNA flest träffar totalt sett, medan 50 μM glyfosat, 20 μM PFNA och 20 μM perfluoroktansyra inte gav signifikanta träffar.

Effluxreglering och motståndsmekanismer identifierade

Det starkaste urvalet observerades särskilt för closantel, med över 90 % av Tn-mutanter som bär insertioner över >20 olika positioner i NQ542_01170-genen, som kodar för en transkriptionsregulator som är homolog med acrR, en effluxrepressorBacteroides uniformis. Förlust av denna regulator ökade toleransen mot flera föroreningar och resulterade också i ökad resistens mot antibiotikan ciprofloxacin, vilket belyser möjliga samband mellan föroreningsexponering och antibiotikaresistens genom delade tolerans- och utflödesvägar. Vissa transportör Tn-mutanter visade bred känslighet för föroreningar, vilket tyder på vanliga toleransmekanismer bland demP. merdae.

Bevarade föroreningstoleransvägar i Bacteroidales

Ytterligare undersökningar av mutanter avB. thetaiotaomikronTillhör en avlägsen familjP. merdaeavslöjade gemensamma svar mellan de två arterna och stödde konserverade mekanismer (t.ex. utflödesvägar) för föroreningstolerans över hela ordningen. Dessutom,P. merdaeFör de flesta testade föreningar som påverkar bakterietillväxt och metabolisk prestanda, berikades Tn-insertion mutant genträffar i olika metaboliska vägar.

Föroreningskontrollerat urval av metabola vägar

Tjugo mikromolar TBBPA-selektion visade signifikant anrikning av Tn-mutanter i nedbrytningsvägen för grenad aminosyra (BCAA). Det kataboliska genklustret porA (involverat i BCAA-nedbrytning till kortkedjiga fettsyror) visade också positivt urval under 20 μM TBBPA, 20 μM BPAF och 500 μM PFNA. Förlust-av-funktion Tn-insättningsmutanter av sekundära metabolismgener, NQ542_07535–55, visade positivt urval under 500 μM PFNA.

Långtgående implikationer för konditionen och utvecklingen av mikrobiomet

Totalt identifierade studien 588 hämmande interaktioner mellan 168 kemikalier och mänskliga tarmbakterier, varav de flesta tidigare inte hade några antibakteriella egenskaper. Industrikemikalier och fungicider hade störst inverkan. Reglering av utflödespumpar var en bevarad mekanism mellan demB. thetaiotaomikronOchP. merdaeDetta formar tolerans och konkurrenskraft under kemisk stress.

Genetiskt urval iP. merdaeberikades med biosyntetiska och katabola gener. Förlust av funktionsmutationer i gener som kodar för enzymer involverade i sekundära metaboliter gav en tillväxtfördel och ökade möjligheten att exponering för kemiska föroreningar kunde påverka urvalslandskapet i tarmen, vilket kan förändra värd-mikrobiom-interaktionsvägar. Experimenten genomfördes dockin vitrovid definierade koncentrationer, och ytterligare in vivo och epidemiologiska studier krävs för att fastställa om liknande effekter uppstår under verkliga exponeringsförhållanden hos människor och för att definiera relevanta exponeringsnivåer.

Källor: