Ihmisen yleisten suolistobakteerien glyfosaattiherkkyys perustuen bakteerien 5-enolipyruvyylisikimaatti-3-fosfaattisyntaasien (EPSPS) proteiinisekvensseihin ja laboratoriokokeisiin

Abstract

Glyfosaattipohjaiset rikkakasvintorjunta-aineet (GBH) ovat maailman käytetyimpiä herbisidejä. Niiden sisältämän glyfosaatin jäämät ravinnossa ja juomavedessä voivat altistaa ihmisen suolistomikrobiston glyfosaatille. Glyfosaatin toiminta perustuu lähes kaikilla kasveilla, sienillä ja bakteereilla esiintyvän sikimaattikierron häiritsemiseen EPSPS-entsyymiin (5-enolipyruvyylisikimaatti-3-fosfaattisyntaasi) sitoutumalla, mikä estää elintärkeiden aromaattisten aminohappojen muodostumisen eliössä. EPSPS-entsyymejä esiintyy bakteereissa glyfosaatille sensitiivisinä ja resistentteinä muotoina. Mahdolliset erot bakteerien glyfosaatinsietokyvyssä voivat pitkäaikaisessa glyfosaattialtistuksessa johtaa suolistomikrobiston epätasapainoon, millä voisi olla kokonaisvaltaisia vaikutuksia ihmisen terveydelle.

Selvitin ihmisen yleisten suolistobakteerien glyfosaatinsietokykyä analysoimalla 890 tietokannoista löytyvää EPSPS-aminohapposekvenssiä 101 suolistobakteerilajilta uuden bioinformatiikkatyökalun avulla. Lisäksi altistin laboratoriossa viisi eri bakteerikantaa (Escherichia coli IHE3034, Salmonella enterica SL1344, Shigella flexneri M90T, Staphylococcus aureus ATCC 29213 ja Enterococcus faecalis ATCC 29212) puhtaalle glyfosaatille sekä Roundup Flex -glyfosaattivalmisteelle.

54 %:lla yleisistä suolistobakteerilajeista esiintyi ainoastaan glyfosaattisensitiivisiä EPSPS-muotoja (esimerkiksi suvut Escherichia ja Faecalibacterium), kun taas 29 %:lla esiintyi ainoastaan resistenttejä muotoja (esimerkiksi suvut Helicobacter ja Dorea). Lisäksi 7 %:lla bakteereista esiintyi lajinsisäistä vaihtelua ja 10 %:lla toistaiseksi luokittelemattomia EPSPS-sekvenssimuotoja. Bakteeriviljelyt osoittivat, että glyfosaattivasteessa oli vaihtelua bakteerilajista ja käytetystä glyfosaattivalmisteesta riippuen. Patogeeninen S. enterica SL1344 -kanta osoitti huomattavan suurta sietokykyä sekä puhtaalle glyfosaatille että Roundup Flexille.

Kaiken kaikkiaan tulokset viittaavat siihen, että ihmisen suolistobakteerilajien välillä on vaihtelua glyfosaatinsietokyvyssä. EPSPS-sekvenssin lisäksi bakteerien glyfosaattivasteeseen vaikuttavat myös epäsuorat mekanismit, joita tulee jatkossa tutkia lisää. Näin ollen glyfosaatti ihmisravinnossa saattaa muokata suolistomikrobistoa ja johtaa 1) sieto- ja muuntautumiskykyisempien bakteerien hallitsevuuteen ja 2) mikrobiston monimuotoisuuden vähenemiseen suolistossa. Jatkossa tulee tutkia glyfosaatin määrää suolistossa ja sen vaikutusta suolistomikrobistoon yhteisönä, sekä mikrobiston muutosten vaikutusta ihmisen terveyteen ja hyvinvointiin.

Glyphosate-based herbicides (GBH) are the most used herbicides in the world. The human gut microbiome may be exposed to glyphosate via residues in human nutrition. The herbicide inhibits the production of vital aromatic amino acids by targeting the EPSPS (5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase) enzyme in the Shikimate pathway, almost universally present in plants, fungi, and bacteria. EPSPS enzymes occur in glyphosate sensitive or resistant forms. In bacteria, these differences in the glyphosate sensitivity may lead to a dysbiosis of the gut microbiome after a long-term exposure to the herbicide, which could have pervasive effects on human health.

I assessed the glyphosate susceptibility of common human gut bacteria by analyzing 890 EPSPS protein sequences belonging to 101 species, by using a new bioinformatic tool. Moreover, I cultured five bacterial strains (Escherichia coli IHE3034, Salmonella enterica SL1344, Shigella flexneri M90T, Staphylococcus aureus ATCC 29213 and Enterococcus faecalis ATCC 29212) and treated them with pure glyphosate and a glyphosate manufacture Roundup Flex.

The results indicate that 54% of the common gut bacteria species only had glyphosate sensitive strains (including genera such as Escherichia and Faecalibacterium) and 29% only had resistant strains (including genera Helicobacter and Dorea). Moreover, 7% of the species showed intraspecific variation, and 10% had EPSPS sequences that are yet to be classified. Cell cultures showed that bacteria growth depends on species and glyphosate manufacture. The pathogenic bacteria S. enterica SL1344 showed high tolerance to both glyphosate manufactures.

In conclusion, the intrinsic sensitivity to glyphosate is variable among gut bacteria. Moreover, additional indirect mechanisms participate in the sensitivity to glyphosate and should be considered in future studies. Thus, the presence of glyphosate in human food may accentuate this variation, leading to 1) a dominance of tolerant and easily adapting bacteria, and 2) a decrease of diversity in the human gut microbiome. Further studies are needed to investigate the amount of glyphosate in human gut and its effects on microbial communities, as well as to human health.