Кишечная микробиота способствует выведению «вечных химикатов» из организма

Исследование, опубликованное в журнале Nature Microbiology, выявило, что некоторые виды микроорганизмов, населяющие кишечник человека, обладают поразительной способностью накапливать пер- и полифторалкильные соединения (ПФАС) — вещества, широко известные как «вечные химикаты» из-за их исключительной стойкости и долговечности в окружающей среде. Эти вещества, используемые в самых разных промышленных и потребительских продуктах — от антипригарных покрытий до водонепроницаемой одежды — повсеместно загрязняют воду и сельскохозяйственные системы, попадая в пищу и, соответственно, в человеческий организм. Проблема ПФАС имеет огромные масштабы: ежегодные расходы на здравоохранение, связанные с воздействием этих соединений, только в Европе оцениваются в 50-80 миллиардов евро, а эффективные пути их удаления из организма до сих пор отсутствуют. Известно, что микроорганизмы, населяющие пищеварительный тракт, оказывает существенное влияние на метаболизм и физиологию хозяина. Однако до сих пор было неясно, как кишечная микрофлора взаимодействует с ПФАС.

Именно для ответа на этот вопрос и было проведено настоящее исследование. Ученые стремились выяснить, могут ли микроорганизмы в кишечнике человека связывать или метаболизировать «вечные химикаты», и какие механизмы лежат в основе этого процесса.

Исследование началось с масштабного скрининга: ученые проанализировали способность двух сообществ кишечных микроорганизмов, состоящих из 10 штаммов каждое, поглощать 42 распространенных загрязняющих вещества, обнаруженных в пищевых продуктах. Среди протестированных соединений внимание авторов привлекли некоторые ПФАС — оказалось, что они активно поглощались бактериями. Тогда ученые протестировали 89 отдельных штаммов кишечных микроорганизмов (включая распространенные комменсалы, пробиотики и дрожжи) на предмет их способности к биоаккумуляции перфторнонановой кислоты (ПФНК) — длинноцепочечного ПФАС, который чаще всего обнаруживается в содержимом кишечника. Для изучения механизмов биоаккумуляции исследователи проводили опыты Escherichia coli, получая мутантные штаммы с дефектами в генах, отвечающих за работу эффлюксных насосов (систем выведения веществ из клетки), таких как TolC. Чтобы подтвердить, что ПФАС действительно накапливаются внутри клеток, а не просто связываются с их поверхностью, применялся метод криогенной масс-спектрометрии вторичных ионов (FIB-SIMS). Кроме того, ученые проанализировали адаптацию микроорганизмов к ПФАС и ее влияние на их физиологию — для этого они проводили эксперименты по адаптивной лабораторной эволюции и оценивали изменения в протеоме и метаболоме бактерий. Наконец, чтобы сопоставить полученные результаты in vitro с тем, что происходит в условиях живого организма, авторы провели опыты на мышах, колонизированных человеческими кишечными бактериями.

В результате ученые обнаружили, что 38 из 89 протестированных штаммов кишечных микроорганизмов способны к биоаккумуляции ПФАС, причем с поразительной эффективностью. Например, Bacteroides uniformis — одна из наиболее распространенных кишечных бактерий — демонстрировала заметное накопление ПФАС, достигая миллимолярных внутриклеточных концентраций без потери жизнеспособности. Процесс накопления происходил очень быстро — менее чем за 3 минуты — и накопленные ПФАС не высвобождались обратно в течение 7 дней. Рост способности к биоаккумуляции напрямую коррелировал с увеличением длины углеродной цепи ПФАС.

Грамотрицательные бактерии, в частности представители типа Bacteroidota, чаще демонстрировали высокую способность к накоплению ПФАС. Эксперименты с E. coli выявили, что биоаккумуляция ПФАС значительно возрастает (в 5 раз для ПФНК) при отсутствии эффлюксного насоса TolC, что указывает на активное участие этого белка в выведении ПФАС из клеток и подтверждает активный трансмембранный транспорт.

Методы визуализации, включая криогенную FIB-SIMS, убедительно показали, что ПФНК локализуется внутри бактериальных клеток, а не просто связывается с мембранами. Более того, ПФНК образовывала дискретные агрегаты или скопления в цитоплазме, что, по-видимому, помогает бактериям справляться с высокими внутриклеточными концентрациями этих поверхностно-активных веществ и сохранять жизнеспособность.

Хотя адаптированные к ПФАС бактерии сохраняли способность к биоаккумуляции этих соединений, у них наблюдались изменения в экспрессии мембранных белков, включая транспортеры, а также в уровнях некоторых метаболитов, таких как аминокислоты (аспартат, глутамат, глутамин) и кинуренин.

Особенно важно, что эксперименты на мышах подтвердили значимость этих открытий. Мыши, колонизированные человеческими кишечными бактериями, демонстрировали значительно более высокий уровень ПФНК в фекалиях по сравнению с мышами, лишенными микробиоты или колонизированными низкоаккумулирующими бактериями. Это указывает на то, что кишечные бактерии способствуют выведению ПФАС из организма через фекалии.

«Наше исследование раскрывает способность кишечных бактерий к биоаккумуляции ПФАС и имеет фундаментальное значение для понимания того, как ПФАС взаимодействуют с биологическими системами», — объясняют авторы работы. Они отмечают, что «обнаружение секвестрации ПФАС в плотные внутриклеточные агрегаты, по-видимому, сводит к минимуму вмешательство в жизненно важные клеточные процессы, что может объяснить жизнеспособность и рост бактерий». Открытые механизмы дают надежду на разработку новых стратегий для детоксикации организма от «вечных химикатов». Однако для полного понимания влияния хронического воздействия низких концентраций ПФАС на организм и его микробиоту необходимы дальнейшие исследования.