Масштабное лабораторное исследование показало, что широко используемые химические вещества не только загрязняют пищу и воду. Они могут избирательно подавлять, стимулировать и изменять кишечные бактерии, что может привести к нарушению баланса микробиома и развитию устойчивости к противомикробным препаратам.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Microbiology, учёные обнаружили, что многие сельскохозяйственные и промышленные химикаты обладают противомикробной активностью в отношении микробиоты кишечника человека и могут оказывать избирательное воздействие на кишечные бактерии в пробирке.
Синтетические химические вещества стали незаменимыми для промышленности и сельского хозяйства. Промышленные и сельскохозяйственные химикаты попадают в воду и пищу в результате их применения в сельском хозяйстве, промышленной обработки или загрязнения окружающей среды. Загрязнение пищи и воды химическими веществами приводит к попаданию ксенобиотиков в желудочно-кишечный тракт. Однако мало что известно о влиянии этих загрязняющих веществ на кишечные бактерии в контролируемых лабораторных условиях или о том, как они могут влиять на жизнеспособность и конкуренцию микроорганизмов.
Скрининг химического воздействия на кишечные микробы
В рамках настоящего исследования учёные изучали влияние загрязняющих веществ на кишечные бактерии с помощью in vitro скрининга, предназначенного для оценки ингибирования роста бактерий и селективного воздействия. Они использовали обширную библиотеку из 1076 соединений, которые могут попадать в воду и пищу. В библиотеку входили промышленные химикаты, пестициды, метаболиты пестицидов и соединения, воздействующие на таких организмов, как пауки, грызуны, бактерии, грибы и нематоды.
Тестирование ингибирования роста 22 штаммов кишечной палочки
Исследователи оценили влияние всех соединений в концентрации 20 мкМ на рост 22 штаммов кишечных бактерий, отобранных по их распространённости и численности в здоровой микробиоте кишечника. Бактерии выращивали и наблюдали за ними в течение 24 часов; рост измерялся как площадь под кривой роста. Ингибирование роста определялось как взаимодействие бактерий с химическими веществами, которое снижало рост более чем на 20%.
Химические вещества с широким и узким спектром антимикробного действия
Команда исследователей обнаружила, что 168 химических веществ подавляют по крайней мере один штамм. Бактероиды, в частности Parabacteroides distasonis, были наиболее чувствительными таксонами, а Akkermansia muciniphila и Escherichia coli — наименее чувствительными. Фунгициды, промышленные химикаты и акарициды были категориями химических веществ с наиболее распространённой антимикробной активностью. Примерно треть фунгицидов и промышленных химикатов оказывали ингибирующее действие. В то время как большинство соединений подавляли рост нескольких штаммов, 24 соединения продемонстрировали широкую токсичность, подавляя рост более трети штаммов.
Клозантел (противопаразитарное средство для домашнего скота), бисфенол AF (BPAF; используется в производстве пластмасс), тетрабромбисфенол А (TBBPA; антипирен), бензаат эмамектина (инсектицид), флуазинам (фунгицид) и хлордекон (инсектицид) вошли в число соединений с ингибирующей активностью широкого спектра. Кроме того, 150 бактериально-химических взаимодействий привели к ингибированию роста более чем на 90 %, что свидетельствует о сильной антимикробной активности, которая может обеспечить конкурентное преимущество или привести к гибели кишечных микробов.
Связь между химической чувствительностью и численностью микробиома
Количество соединений, влияющих на тот или иной вид, положительно коррелировало с его относительной численностью в микробиомах человека, но не с распространенностью. Таким образом, химические вещества с узким или широким спектром действия могут влиять на микробиом из-за их воздействия на многочисленные таксоны посредством дифференциального ингибирования роста и отбора. Затем команда исследователей оценила, как химические вещества влияют на бактериальные сообщества на уровне видов. Синтетическое разнообразное сообщество из 20 кишечных бактерий было подвергнуто воздействию TBBPA или BPAF для оценки реакции на уровне сообщества.
Реакция сообщества на BPAF и TBBPA
Вызванные BPAF изменения в составе сообщества соответствовали эффектам монокультуры, хотя Eubacterium rectale и Fusobacterium nucleatum были защищены в сообществе, несмотря на то, что были чувствительны в изоляции. При использовании TBBPA в сообществе доминировал Bacteroides thetaiotaomicron, несмотря на то, что он был чувствителен в монокультуре. Это показывает, как контекст сообщества может влиять на результаты адаптации к химическому воздействию. Затем исследователи изучили механизмы взаимодействия видов отряда Bacteroidales, учитывая их высокую чувствительность к загрязняющим веществам.
Библиотека транспозонных мутантов для выявления генов толерантности
Для выявления генов, которые модулируют влияние ксенобиотиков на жизнеспособность бактерий, была использована библиотека мутантов транспозона (Tn) Parabacteroides merdae, содержащая мутантов с инсерцией Tn в более чем 3000 несущественных генов. Был проведён конкурентный анализ с использованием 10 химических веществ. Клозантел, эмамектина бензоат, флуазинам, TBBPA, имазалил сульфат и BPAF тестировались в концентрации ≤ 20 мкМ, а глифосат, перфторнонановая кислота (PFNA), перфтороктановая кислота и пропиконазол тестировались в концентрации ≥ 20 мкМ.
Культуры, инокулированные библиотекой мутантов, выращивали до начала стационарной фазы, а секвенирование Tn с использованием штрихкодов применяли для количественной оценки отбора Tn мутантов в условиях химического воздействия. BPAF, клозантел и TBBPA показали наиболее сильное воздействие на отбор в библиотеке среди протестированных веществ в концентрации ≤ 20 мкМ. Кроме того, 500 мкМ PFNA показали наилучшие результаты, в то время как 50 мкМ глифосата, 20 мкМ PFNA и 20 мкМ перфтороктановой кислоты не показали значимых результатов.
Выявлены механизмы регуляции оттока и сопротивления
Примечательно, что наиболее сильный отбор наблюдался в случае с клозантелом: более 90 % Tn мутантов имели вставки в более чем 20 различных позициях гена NQ542_01170, который кодирует регулятор транскрипции, гомологичный acrR, репрессору эффлюкса, из Bacteroides uniformis. Потеря этого регулятора повысила устойчивость к нескольким загрязняющим веществам, а также обеспечила повышенную устойчивость к антибиотику ципрофлоксацину, что указывает на потенциальную связь между воздействием загрязняющих веществ и устойчивостью к антибиотикам через общие механизмы устойчивости и выведения. Некоторые мутанты транспортера Tn демонстрировали широкую чувствительность к загрязняющим веществам, что указывает на общие механизмы устойчивости у P. merdae.
Сохранение путей толерантности к загрязняющим веществам у Bacteroidales
Дальнейшие исследования мутантов B. thetaiotaomicron, принадлежащих к семейству, далёкому от семейства P. merdae, выявили общие реакции у этих двух видов, что подтверждает наличие консервативных механизмов (например, путей выведения) устойчивости к загрязняющим веществам у всего отряда. Кроме того, мутантные гены P. merdae Tn были обнаружены в различных метаболических путях для большинства протестированных соединений, влияющих на рост бактерий и метаболическую активность.
Выбор метаболических путей под воздействием загрязняющих веществ
При отборе с использованием 20 микромолей TBBPA наблюдалось значительное обогащение Tn мутантами в пути деградации аминокислот с разветвлённой цепью (BCAA). Кластер катаболических генов porA (участвующий в деградации BCAA до короткоцепочечных жирных кислот) также показал положительный отбор при использовании 20 мкМ TBBPA, 20 мкМ BPAF и 500 мкМ PFNA. Мутанты с потерей функции Tn в генах вторичного метаболизма, NQ542_07535–55, показали положительный отбор при концентрации PFNA 500 мкМ.
Широкие возможности для поддержания здоровья и эволюции микробиома
В целом исследование выявило 588 ингибирующих взаимодействий между 168 химическими веществами и кишечными бактериями человека, о большинстве из которых ранее не было известно, что они обладают антибактериальными свойствами. Наибольшее влияние оказывали промышленные химикаты и фунгициды. Регуляция эффлюксных насосов является общим механизмом для B. thetaiotaomicron и P. merdae, который определяет устойчивость и конкурентоспособность при воздействии химических веществ.
Генетическая селекция в P. merdae привела к обогащению биосинтетическими и катаболическими генами. Мутации, приводящие к потере функции в генах, кодирующих ферменты, участвующие в синтезе вторичных метаболитов, обеспечивали преимущество в росте, что повышает вероятность того, что воздействие химических загрязнителей может повлиять на ландшафт отбора в кишечнике, что, в свою очередь, может изменить пути взаимодействия между хозяином и микробиомом. Однако эксперименты проводились in vitro при определённых концентрациях, и для определения того, возникают ли аналогичные эффекты в реальных условиях воздействия на человека, а также для определения соответствующих уровней воздействия необходимы дальнейшие исследования in vivo и эпидемиологические исследования.
Ссылка на журнал:
- Ру И., Линделл А. Э., Грибхаммер А. и др. (2025). Промышленные и сельскохозяйственные химикаты проявляют противомикробную активность в отношении кишечных бактерий человека in vitro. Nature Microbiology, 10(12), 3107–3121. DOI: 10.1038/s41564-025-02182-6, https://www.nature.com/articles/s41564-025-02182-6
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся