Blootstelling aan een lage dosis antibiotica kan grote gevolgen hebben voor darmbacteriën

Lage niveaus van antibiotica worden vaak aangetroffen als milieuverontreinigende stoffen, bijvoorbeeld door wijdverbreid gebruik bij het fokken van vee. Het is bekend dat zwakke antibiotica het menselijke darmmicrobioom drastisch kunnen veranderen, maar waarom dit gebeurt, is een raadsel geweest.

Raghuveer Parthasarathy, een professor in de natuurkunde en lid van het UO's Institute of Molecular Biology

Zebravislarven zijn een goed model om het mysterie aan te pakken, Parthasarathy zei, omdat ze veel anatomische overeenkomsten hebben met mensen en andere gewervelde dieren, en hun darmmicroben kunnen direct worden waargenomen.

Promovendus Brandon H. Schlomann en postdoctoraal onderzoeker Travis J. Wiles leidden het project, waarin larven werden waargenomen met 3D-microscopie omdat ze werden blootgesteld aan concentraties van het antibioticum ciprofloxacine op niveaus die vergelijkbaar zijn met die vaak gevonden in omgevingsmonsters.

De onderzoekers keken afzonderlijk naar zebravissen met een van de twee verschillende bacteriesoorten die elk vaak in de darm van de zebravis worden aangetroffen. Bacteriën van een van de soorten zijn beweeglijk en zwemmen snel. Bacteriën van de andere soorten zijn bijna volledig geaggregeerd in dichte kolonies.

In aanwezigheid van het antibioticum, beide soorten bacteriën vertoonden dramatische veranderingen in hun gedrag. De normaal beweeglijke soorten werden veel langzamer en vormden aggregaten. De normaal geaggregeerde soorten veranderden van structuur om nog grotere kolonies te vormen, met minder fragmentatie.

In beide gevallen, de verhoogde aggregatie maakte de bacteriën gevoeliger voor de mechanische samentrekkingen van de darmen, wat leidt tot een verhoogde verdrijving uit de darm en meer dan honderdvoudige dalingen in de darmpopulaties.

"Onze bevindingen, " Parthasarathy zei:"stel voor dat vanwege de fysieke activiteit van de darm, besmetting door antibiotica veroorzaakt veel grotere veranderingen in het darmmicrobioom dan men zou vermoeden door simpelweg alleen bacteriën te bestuderen. In zekere zin, de darm versterkt de effecten van zwakke antibiotica."

Op basis van hun observaties, de onderzoekers ontwikkelden een wiskundig model van bacteriële dynamiek in de darm, met voorspellingen voor koloniegroottes die overeenkwamen met experimentele gegevens. Het model is vergelijkbaar met dat van de groei van polymeren en microdeeltjes, laten zien, de co-auteurs schrijven, dat methoden die in de natuurkunde zijn ontwikkeld, vruchtbaar kunnen worden toegepast op studies van het darmmicrobioom.

Parthasarathy verwacht dat de bevindingen van het team van toepassing zijn op meer dan zebravissen.

"Een breed scala aan bacteriën reageert op zwakke antibiotica door hun vorm en aggregatiegedrag te veranderen, " zei hij. "Alle ingewanden van gewervelde dieren - inclusief mensen - vervoeren voedsel en microben, en hun mechanica drijven de beweging van bacteriegroepen aan. Wij vermoeden, daarom, dat de dingen die we hebben ontdekt vrij algemeen zijn voor alle soorten, inclusief mensen en andere dieren."

Het model, Parthasarathy en collega's schrijven, biedt een raamwerk voor het evalueren van antibiotische verstoringen bij mensen en andere dieren. Het vijfkoppige team suggereert dat de verdrijving van levende antibiotica-blootgestelde bacteriën uit dierlijke darmen via het op aggregatie gebaseerde proces een mechanisme kan zijn voor de verspreiding van antibioticaresistentie.

• Rotavirusinfectie kan een rol spelen bij de ontwikkeling van type 1 diabetes
• Studie lokaliseert een gen dat chlamydia in staat stelt DNA op te pikken uit de gastheeromgeving