Lågdosexponering för antibiotika kan ha stora effekter på tarmbakterier

Ett antibiotikum som vanligtvis finns i låga koncentrationer i miljön kan ha stora effekter på tarmbakterier, rapporterar forskare vid University of Oregon.

Studien, publicerad denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences , applicerade tredimensionell mikroskopi på nästan transparent zebrafisk för att visa hur svaga nivåer av antibiotika inducerar strukturella förändringar i tarmbakteriesamhällen som orsakar allvarliga droppar i bakteriepopulationerna.

Låga nivåer av antibiotika återfinns ofta som miljöföroreningar, till exempel från utbredd användning vid uppfödning av boskap. Det är känt att svaga antibiotika dramatiskt kan förändra människans tarmmikrobiom, men varför detta händer har varit ett mysterium.

Raghuveer Parthasarathy, professor i fysik och medlem i UO:s institut för molekylärbiologi

Zebrafisklarver är en bra modell för att ta itu med mysteriet, Parthasarathy sa, eftersom de delar många anatomiska likheter med människor och andra ryggradsdjur, och deras tarmmikrober kan observeras direkt.

Doktoranden Brandon H. Schlomann och postdoktor Travis J. Wiles ledde projektet, där larver observerades med 3D -mikroskopi då de exponerades för koncentrationer av antibiotikumet ciprofloxacin vid nivåer som är jämförbara med de som ofta finns i miljöprover.

Forskarna tittade separat på zebrafiskar som bär en av två olika bakteriearter som var och en ofta finns i zebrafiskarmen. Bakterier av en av arterna är rörliga och snabbsimmande. Bakterier av de andra arterna aggregeras nästan helt i täta kolonier.

I närvaro av antibiotikumet, båda typerna av bakterier visade dramatiska förändringar i deras beteende. De normalt rörliga arterna blev mycket långsammare och bildade aggregat. De normalt aggregerade arterna skiftade i struktur för att bilda ännu större kolonier, med mindre fragmentering.

I båda fallen, den förbättrade aggregeringen gjorde bakterierna mer känsliga för tarmarnas mekaniska sammandragningar, vilket leder till ökad utvisning från tarmen och mer än hundrafaldiga droppar i tarmpopulationerna.

"Våra fynd, "Parthasarathy sa, "föreslår att på grund av tarmens fysiska aktivitet, förorening av antibiotika orsakar mycket större förändringar i tarmmikrobiomet än man skulle kunna misstänka genom att bara studera bakterier ensamma. På sätt och vis, tarmen förstärker effekterna av svaga antibiotika. "

Baserat på deras observationer, forskarna utvecklade en matematisk modell av bakteriell dynamik i tarmen, med förutsägelser för kolonistorlekar som matchade experimentella data. Modellen liknar den för polymer- och mikropartikeltillväxt, som visar, medförfattarna skriver, att metoder som utvecklats inom fysik fruktbart kan tillämpas på studier av tarmmikrobiomet.

Parthasarathy förväntar sig att teamets resultat kommer att gälla mer än zebrafiskar.

"Ett brett spektrum av bakterier svarar på svaga antibiotika genom att ändra form och aggregeringsbeteende, "sa han." Alla ryggradsdjurstarmar - inklusive människor - transporterar mat och mikrober, och deras mekanik driver bakteriegruppernas rörelse. Vi misstänker, därför, att de saker vi har upptäckt är ganska generella över arter, inklusive människor och andra djur. "

Modellen, Parthasarathy och kollegor skriver, ger en ram för utvärdering av antibiotikastörningar hos människor och andra djur. Teamet med fem medlemmar föreslår att utvisning av levande antibiotika-exponerade bakterier från djurtarm genom den aggregeringsbaserade processen kan vara en mekanism för spridning av antibiotikaresistens.

• Rotavirusinfektion kan spela en roll vid typ 1 -diabetesutveckling
• Studien identifierar en gen som gör att klamydia kan plocka upp DNA från värdmiljön