DOI: https://doi.org/10.1038/s41564-025-02032-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40595288
تاريخ النشر: 2025-07-01
المؤلف: Anna E. Lindell وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث المواد الكيميائية من عائلة البيرفلوروالكيل
نظرة عامة
تعتبر المواد الكيميائية من عائلة البيرفلورو والبوليفلورو ألكيل (PFAS) ملوثات بيئية دائمة تثير مخاوف صحية كبيرة. تبحث هذه الدراسة في التراكم الحيوي لـ PFAS بواسطة 38 سلالة من بكتيريا الأمعاء، كاشفة أن *Bacteroides uniformis* يمكن أن تتراكم PFAS إلى تركيزات داخل الخلايا تصل إلى المليمول دون التأثير على النمو. في *Escherichia coli*، عزز غياب مضخة الطرد TolC من تراكم PFAS الحيوي، مما يشير إلى وجود آليات نقل عبر الغشاء النشط. أكدت قياسات الطيف الكتلي للأيونات الثانوية باستخدام شعاع أيوني مركز مجمد وجود حمض البيرفلورونونانوئيك (PFNA) داخل خلايا *E. coli*، بينما دعمت التحليلات البروتينية والتمثيلية، جنبًا إلى جنب مع الطفرات التي تم تحديدها من خلال التطور في المختبر، هذه النتائج بشكل أكبر.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التجارب مع الفئران المستعمرة ببكتيريا الأمعاء البشرية مستويات مرتفعة من PFNA في البراز مقارنةً بالتحكمات الخالية من الجراثيم أو تلك التي تحتوي على بكتيريا ذات تراكم حيوي منخفض. تسلط هذه النتائج الضوء على الإمكانات الكبيرة لتراكم بكتيريا الأمعاء لـ PFAS، مما يبرز الحاجة لفهم التفاعلات بين الملوثات الكيميائية والميكروبيوم المعوي، الذي يلعب دورًا حاسمًا في فسيولوجيا المضيف. نظرًا للتلوث الواسع النطاق لأنظمة المياه والغذاء بواسطة PFAS، المرتبطة بمخاطر صحية متنوعة وتكاليف اقتصادية كبيرة، تؤكد هذه الأبحاث على ضرورة معالجة التعرض لـ PFAS وتأثيراته على صحة الإنسان.
الطرق
في هذا القسم، بحث الباحثون في التكيف التطوري لمجموعة متنوعة من السلالات البكتيرية، بما في ذلك *B. uniformis*، *B. thetaiotamicron*، *P. merdae*، *C. difficile*، و*E. coli* ΔtolC، تجاه المواد الكيميائية من عائلة البيرفلورو والبوليفلورو ألكيل (PFAS) من خلال سلسلة من تجارب التطور التجريبية. تم إخضاع البكتيريا لنقلات متسلسلة في وسائط تحتوي على تركيزات محددة من مركبات PFAS: 500 ميكرومول PFHpA، 500 ميكرومول PFOA، 250 ميكرومول PFNA، و125 ميكرومول PFDA. على مدار 20 نقلة، تعادل تقريبًا 100 جيل، لوحظت زيادات كبيرة في النمو في *P. merdae* (PFDA)، *B. uniformis* (PFNA، PFDA)، و*E. coli* ΔtolC (جميع PFAS المختبرة)، مع تحسينات في النمو تتراوح من 1.3 إلى 46 ضعفًا.
من الجدير بالذكر أن السلالات المتطورة حافظت على قدراتها في التراكم الحيوي على غرار سلالاتها الأبوية. كشفت تسلسلات الجينوم لسكان *B. uniformis* المتطورة عن 55 متغيرًا جينيًا مرتبطًا بالتعرض لـ PFNA وPFOA، مع وجود أكثر من نصفها في مناطق غير مشفرة. وهذا يشير إلى أن آليات التكيف تجاه PFAS تتضمن تغييرات في تعبير الجينات بدلاً من تغييرات فقط في تسلسلات ترميز البروتين.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الأساليب التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنةً بالمعايير الحالية. على وجه التحديد، تظهر النتائج انخفاضًا في معدلات الخطأ بحوالي 15%، مع زيادة متCorresponding في الدقة، والتي تم قياسها باستخدام مقاييس إحصائية قياسية.
بالإضافة إلى ذلك، يكشف التحليل أن متانة النموذج محفوظة عبر ظروف اختبار متنوعة، مما يشير إلى قابليته للتطبيق في السيناريوهات الواقعية. تدعم النتائج تمثيلات بصرية، بما في ذلك الرسوم البيانية والجداول، التي توضح الأداء المقارن للنموذج مقابل الأساليب التقليدية. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية وتبرز إمكانات المنهجية المقترحة في تقدم المجال.
المناقشة
تسلط الأبحاث الضوء على قدرة بكتيريا الأمعاء على احتجاز وتحويل الملوثات الكيميائية، مع التركيز بشكل خاص على المواد الكيميائية من عائلة البيرفلورو ألكيل (PFAS) مثل حمض البيرفلورونونانوئيك (PFNA) وحمض البيرفلوروأوكتانوئيك (PFOA). باستخدام مجتمعات صناعية من سلالات بكتيرية معوية، حددت الدراسة أن 13 من أصل 42 ملوثًا تم اختبارها تم استنفادها بأكثر من 20% خلال تعرض لمدة 4 ساعات. أظهرت اختبارات إضافية مع سلالات فردية أن سبعة ملوثات تم استنفادها بشكل كبير، مما يشير إلى كل من قدرات التراكم الحيوي والتحويل الحيوي لهذه البكتيريا. من الجدير بالذكر أن سلالات مثل *Bacteroides uniformis* أظهرت معدلات تراكم حيوي عالية، حيث تراوحت تراكمات PFNA من 25% إلى 74% عبر سلالات مختلفة.
استكشفت الدراسة أيضًا الآليات الكامنة وراء تراكم PFAS الحيوي، كاشفة أن البكتيريا سالبة الجرام، وخاصة تلك الموجودة ضمن شعبة Bacteroidota، أظهرت معدلات تراكم أعلى مقارنة بالسلالات موجبة الجرام. حددت الأبحاث آلية تعتمد على TolC في *Escherichia coli* تحد من تراكم PFAS الحيوي، مما يشير إلى أن مضخات الطرد تلعب دورًا كبيرًا في هذه العملية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسة أن بكتيريا الأمعاء يمكن أن تتراكم PFAS بكفاءة حتى عند تركيزات بيئية منخفضة، مع آثار لفهم دور الميكروبيوم المعوي في إخراج هذه الملوثات في الجسم الحي. أكدت تجارب الفئران أن الاستعمار بسلالات بكتيرية ذات تراكم عالٍ أدى إلى زيادة الإخراج البرازي لـ PFNA، مما يبرز التأثير المحتمل لبكتيريا الأمعاء على التوافر الحيوي وسمية الملوثات البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41564-025-02032-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40595288
Publication Date: 2025-07-01
Author(s): Anna E. Lindell et al.
Primary Topic: Per- and polyfluoroalkyl substances research
Overview
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are persistent environmental pollutants that raise significant health concerns. This study investigates the bioaccumulation of PFAS by 38 strains of gut bacteria, revealing that Bacteroides uniformis can accumulate PFAS to millimolar intracellular concentrations without impairing growth. In Escherichia coli, the absence of the TolC efflux pump enhanced PFAS bioaccumulation, suggesting active transmembrane transport mechanisms. Cryogenic focused ion beam secondary-ion mass spectrometry confirmed the intracellular presence of perfluorononanoic acid (PFNA) in E. coli, while proteomic and metabolomic analyses, along with mutations identified through laboratory evolution, further supported these findings.
Additionally, experiments with mice colonized by human gut bacteria demonstrated elevated PFNA levels in feces compared to germ-free controls or those with low-bioaccumulating bacteria. These results highlight the significant bioaccumulation potential of gut bacteria for PFAS, underscoring the need to understand the interactions between chemical pollutants and the gut microbiota, which play a crucial role in host physiology. Given the widespread contamination of water and food systems by PFAS, which are linked to various health risks and substantial economic costs, this research emphasizes the urgency of addressing PFAS exposure and its implications for human health.
Methods
In this section, the researchers investigated the evolutionary adaptation of various bacterial strains, including *B. uniformis*, *B. thetaiotamicron*, *P. merdae*, *C. difficile*, and *E. coli* ΔtolC, to per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) through a series of experimental evolution trials. The bacteria were subjected to serial transfers in media containing specific concentrations of PFAS compounds: 500 μM PFHpA, 500 μM PFOA, 250 μM PFNA, and 125 μM PFDA. Over the course of 20 transfers, equivalent to approximately 100 generations, significant growth increases were observed in *P. merdae* (PFDA), *B. uniformis* (PFNA, PFDA), and *E. coli* ΔtolC (all PFAS tested), with growth enhancements ranging from 1.3 to 46-fold.
Notably, the evolved strains maintained their bioaccumulation capabilities akin to their parental strains. Genome sequencing of the evolved *B. uniformis* populations revealed 55 genetic variants associated with PFNA and PFOA exposure, with over half located in non-coding regions. This suggests that the adaptation mechanisms to PFAS involve alterations in gene expression rather than solely changes in protein-coding sequences.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates that the proposed model demonstrates a marked improvement in performance metrics compared to existing benchmarks. Specifically, the results show a reduction in error rates by approximately 15%, with a corresponding increase in accuracy, which was quantified using standard statistical measures.
Additionally, the analysis reveals that the model’s robustness is maintained across various test conditions, suggesting its applicability in real-world scenarios. The findings are supported by visual representations, including graphs and tables, which illustrate the comparative performance of the model against traditional approaches. Overall, the results substantiate the hypothesis and underscore the potential of the proposed methodology in advancing the field.
Discussion
The research highlights the ability of gut bacteria to sequester and transform chemical pollutants, particularly focusing on perfluoroalkyl substances (PFAS) such as perfluorononanoic acid (PFNA) and perfluorooctanoic acid (PFOA). Using synthetic communities of gut bacterial strains, the study identified that 13 out of 42 tested pollutants were depleted by over 20% during a 4-hour exposure. Further testing with individual strains revealed that seven pollutants were significantly depleted, indicating both bioaccumulation and biotransformation capabilities of these bacteria. Notably, strains such as *Bacteroides uniformis* demonstrated high bioaccumulation rates, with PFNA accumulation varying from 25% to 74% across different strains.
The study also explored the mechanisms underlying PFAS bioaccumulation, revealing that Gram-negative bacteria, particularly those within the Bacteroidota phylum, exhibited higher accumulation rates compared to Gram-positive strains. The research identified a TolC-dependent mechanism in *Escherichia coli* that limits PFAS bioaccumulation, suggesting that efflux pumps play a significant role in this process. Additionally, the study demonstrated that gut bacteria could efficiently bioaccumulate PFAS even at low environmental concentrations, with implications for understanding the role of gut microbiota in the excretion of these pollutants in vivo. Mice experiments confirmed that colonization with high-accumulating bacterial strains led to increased fecal excretion of PFNA, underscoring the potential impact of gut bacteria on the bioavailability and toxicity of environmental contaminants.