Кишечные бактерии аккумулируют так называемые "вечные химические вещества", что позволяет по-новому взглянуть на то, как эти вещества влияют на биологию и пути биоремедиации.
Загрязнители окружающей среды создают проблемы как для экосистем, так и для здоровья человека. Одним из классов проблемных химических веществ являются пер- и полифторалкильные субстраты (PFAS) - большое семейство соединений, имеющих множество применений, но трудно поддающихся расщеплению. Ученые обнаружили эти “вечные химические вещества” почти во всех уголках мира и даже в человеческой крови. “Эти химические вещества очень, очень трудно расщепить, потому что связь [углерод-фтор] очень прочная”, - объясняет Мэтт Симчик, химик-эколог, изучающий PFAS и другие загрязняющие вещества в Университете Миннесоты. Он добавил, что органические соединения, содержащие фтор, встречаются в природе редко. В результате, по его словам, “биологи их не видят и поэтому они на самом деле не знают, что с ними делать. Они не могут их расщепить. И они, как правило, ведут себя странно внутри организма”.
Исследователи показали, что некоторые молекулы PFAS вызывают токсичность у птиц и рыб, а некоторые исследования на людях показали, что воздействие PFAS связано с изменением уровня холестерина и гормонов, а также с изменением функций печени и иммунной системы. Однако эти эффекты все еще плохо изучены. Киран Патил, системный биолог, изучающий микробиом кишечника в Кембриджском университете, начал изучать взаимодействие между загрязнителями окружающей среды и бактериями микробиома в 2020 году. Примерно в это же время он посмотрел фильм "Темные воды", в котором рассказывалось о судебном процессе, связанном с воздействием химических веществ PFAS. Это вызвало у него интерес к этим соединениям и побудило его и его коллег изучить взаимодействие между PFAS и кишечными микробами. “Мы решили, что это очень важно и мы должны следить за этим", - вспоминает он.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, Патил и его группа показали, что бактерии, живущие в кишечнике мышей, биоаккумулируют PFAS внутриклеточно. Этот процесс помогает выводить эти соединения из организма с фекалиями. Полученные результаты дают важную информацию о влиянии PFAS на микробиом кишечника и реакции бактерий на них. После первоначального анализа нескольких химических загрязнителей авторы выбрали перфторнонановую кислоту (PFNA) в качестве репрезентативного PFAS для изучения, поскольку ее более длинная углеродная цепь увеличивает вероятность того, что она попадет в кишечник для последующего выведения и, таким образом, вступит в контакт с кишечным микробиомом. Они подвергли воздействию PFNA 89 штаммов микроорганизмов и оценили, какие из них накапливают химическое вещество. Ученые обнаружили, что представители рода Bacteroidota накапливают наибольшее количество PFNA.
Исследователи также выбрали Bacteroides uniformis как представителя кишечных бактерий, накапливающих PFNA в наиболее высокой концентрации, для дальнейшего изучения воздействия молекул. Они показали, что бактерии накапливают PFNA в различных концентрациях, что говорит о том, что их поглощение не зависит от исходной концентрации. Кроме того, B. uniformis и другие кишечные бактерии беспрепятственно размножались в присутствии высоких концентраций PFNA и других аналогичных по длине PFAS. Одним из видов, который не накапливал PFAS, была кишечная палочка. Используя ее мутанты с эффлюксным насосом, исследователи показали, что ген TolC способствует удалению PFAS из клетки.
Исследователи использовала этот мутант E. coli и B. uniformis для изучения накопления смеси соединений PFAS, которая более наглядно отражает то, как организмы сталкиваются с этими молекулами в реальных условиях. Длина углеродной цепи PFAS варьировалась от 4 до 14 атомов углерода. Было обнаружено, что оба вида бактерий накапливали только PFAS, содержащие 8 или более атомов углерода. Бактерии одинаково поглощали эти соединения независимо от того, присутствовало ли одновременно несколько различных химических веществ или нет.
Предыдущие исследования показали только, что соединения PFAS ассоциированы с липидной мембраной бактериальных клеток. Однако, если бы это имело место у этих микробов, их высокое накопление PFAS могло бы нанести ущерб клеточным процессам. Используя масс-спектрометрию вторичных ионов с фокусированным ионным пучком (FIB-SIMS), ученые показали, что PFNA накапливается в цитоплазме E. coli с дефицитом TolC. “Это отличный способ доказать, что химические вещества находятся не только на поверхности бактерий”, - отметил Симчик, который не принимал участия в исследовании. Это подтверждение также произвело впечатление на Патила и его коллег. “Я помню, что мы были очень взволнованы, когда получили эти изображения FIB-SIMS, на которых мы могли видеть молекулы PFAS внутри клеток”, - рассказал он.
Чтобы оценить, как внутриклеточные PFAS влияют на клеточные процессы, исследователи проанализировали протеом и метаболиты, продуцируемые E. coli и B. uniformis с дефицитом TolC. Они наблюдали наибольшее увеличение содержания мембранных белков, в частности белков эффлюксных насосов. Воздействие PFNA изменяло только метаболиты B. uniformis, вызывая снижение содержания аминокислот, связанное с кислотным стрессом.
Наконец, исследователи изучили накопление PFAS в мышиной модели. После колонизации мышей пятью штаммами бактерий с высоким или низким уровнем накопления, ученые перорально ввели мышам одну дозу PFNA. Через два дня после этого исследователи обнаружили больше PFNA в фекалиях мышей, колонизированных бактериями с высокой степенью накопления. Патил отметил, что результаты “подразумевают, что эти бактерии на самом деле выполняют работу по очистке или всасыванию PFAS также в кишечнике”. “Я не удивлен, что это вещество усваивается бактериями и хотел бы посмотреть, как это влияет на микробное сообщество и как эти изменения в микробном сообществе могут повлиять на организм или на здоровье пищеварительной системы”, - отметил Симчик. Он добавил, что интересно изучить влияние PFAS на микробиом кишечника. “Это действительно открывает новую область исследований, которая, безусловно, заслуживает необходимого изучения”.
Патил говорит, что его группа заинтересована в изучении того, как эти молекулы агрегируются в бактериях, и механизмов, которые приводят к различиям в накоплении PFAS. “Это исследование дает небольшой проблеск надежды на то, что наш микробиом уже может каким-то образом помогать нам”, - сказал он. Основываясь на этих результатах, Патил стал соучредителем компании Cambiotics, целью которой является разработка и тестирование пробиотиков в качестве средств борьбы с воздействием PFAS.
