Effects of microbial mitochondriotoxins from food and indoor air on mammalian cells

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1884-4
Title: Effects of microbial mitochondriotoxins from food and indoor air on mammalian cells
Author: Rasimus-Sahari, Stiina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Division of Microbiology
Finnish Institute of Occupational Health (Unit of Systems Toxicology)
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae. Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-5431
Abstract: Humans are exposed to microbes and microbial compounds continuously via environmental exposure and food in addition to our own microbiome. This thesis reports new empirical findings concerning the types of mitochondrial toxins present in food and indoor air and the effects of these toxins on mammalian cells. Dust and aerosolized compounds collected from moisture-damaged buildings were shown to have mitochondriotoxic effects detectable with a boar sperm motility inhibition (BSMI) assay. Toxin-producing bacteria isolated from the dusts and aerosols included producers of the mitochondrial toxins amylosin, cereulide, and valinomycin. In addition, aerosolized valinomycin and toxic chemical compounds emitted from building materials were detected using boar spermatozoa, demonstrating that the BMSI assay could be used to screen for mitochondrial toxicity in indoor air. Amylosin, a mitochondriotoxin produced by Bacillus spp. from indoor air and food, was shown to be immunotoxic: exposure of human primary macrophages to nanomolar concentrations of amylosin stimulated the release of inflammatory cytokines interleukin 1β and interleukin 18. Amylosin is the first bacterial channel-forming ionophore toxin reported to have this effect. Low amounts of amylosin caused significant dose-dependent potassium ion efflux from human somatic cells and boar spermatozoa. Potassium efflux may be the trigger causing the observed cytokine release from macrophages after amylosin exposure. Amylosin also displayed antifungal and antibacterial activity which may give its producers a competitive advantage in mixed microbial communities. Two previously unreported food safety hazards were identified from cereal grains. A novel heat-stable mitochondrial toxin named paenilide, similar to cereulide biochemically and in mode of action, was found to be produced by Paenibacillus tundrae isolated from barley grains. This finding shows that the genus Paenibacillus cannot be considered harmless for human health. Paenilide consisted of two components with molecular masses equal to those of cereulide and homocereulide but with longer chromatographic retention times, indicating more hydrophobic structures than those of the cereulide compounds. Paenilide acted as a lipophilic potassium ionophore, causing depolarization, swelling, uncoupling of oxidative phosphorylation, and loss of respiratory control in isolated rat liver mitochondria. Paenilide accelerated glucose consumption in porcine kidney epithelial cells, causing metabolic acidosis, and was cytotoxic to porcine and murine cells. Paenilide was as toxic as cereulide at nanomolar amounts, making it a possibly potent food poisoning agent. Paenilide was produced at incubation temperatures down to +5°C, indicating potential toxin formation in chilled foods. The second novel finding connected to cereal grains was the discovery of toxin-producing Streptomyces spp. in healthy-looking grains of barley and spring wheat. The barley grain isolates, belonging to the Streptomyces albidoflavus group, produced the mitochondriotoxic macrolide antimycin A, a known disrupter of oxidative phosphorylation. The cause of the mitochondrial toxicity of the spring wheat grain isolates, most closely related to Streptomyces sedi, remained unidentified. The toxicity of the isolates and grains was detected using the BSMI assay, which was sensitive enough to detect nanomolar contamination corresponding to 2 ng of antimycin A per barley grain. Antimycin A was more toxic towards porcine kidney epithelial cells than the mycotoxin enniatin B but less toxic than cereulide or paenilide. Exposure of porcine kidney epithelial cells to these four toxins accelerated glucose consumption and caused mitochondrial depolarization, indicating upregulation of glycolysis. Pancreatic insulin-producing beta cells, however, are not able to switch to glycolytic ATP production and undergo necrotic cell death upon exposure to mitochondrial toxins. Thus, consumption of grains contaminated with mitochondrial toxins may especially affect pancreatic functions. In conlusion, the results of this thesis show that chronic exposure via indoor air or food to sub-lethal concentrations of mitochondriotoxins produced by spore-forming bacteria may be more common than known so far. This exposure may connect to the increasing worldwide incidence of western lifestyle diseases, such as diabetes, asthma, and allergies as well as cardiovascular and neurological disorders. The studied toxins are all heat-stable and produced by spore-formers able to withstand harsh environmental conditions, highlighting that preventing their presence and endurance in food and indoor environments is problematic.Ihmiset altistuvat jatkuvasti mikrobeille ja mikrobien tuottamille yhdisteille ympäristön ja ruoan sekä oman elimistön kautta. Tässä väitöskirjassa esitellään uutta kokeellisesti kerättyä tietoa elintarvikkeissa ja sisäilmassa esiintyvistä mitokondriomyrkyistä ja niiden vaikutuksia nisäkässoluihin. Kosteusvaurioituneista rakennuksista kerättyillä pölyillä ja aerosoleilla osoitettiin olevan myrkyllisiä vaikutuksia mitokondrioita kohtaan. Myrkyllisyys havaittiin sian siittiöiden liikkuvuutta mittaavalla kokeella. Näytteistä eristettiin myrkyllisiä bakteereja, joiden joukossa oli kolmea tunnettua mitokondriomyrkkyä (amylosiini, kereulidi ja valinomysiini) tuottavia kantoja. Osoitettiin myös, että ilmassa aerosolina oleva valinomysiini sekä rakennusmateriaaleista haihtuvat mitokondriomyrkylliset kemikaalit voidaan havaita sian siittiöiden avulla. Sian siittiöiden liikkuvuutta mittaavaa koetta voitaisiin siis hyödyntää seulontamenetelmänä sisäilmanäytteiden tutkimisessa. Sisäilmasta ja elintarvikkeista eristettyjen Bacillus-lajien tuottaman mitokondrio-myrkyn, amylosiinin, todettiin vaikuttavan haitallisesti ihmisen immuunijärjestelmän soluihin: ihmisen primääristen makrofagien altistuminen nanomolaarisille amylosiinipitoisuuksille johti tulehdusreaktioita edistävien sytokiinien, interleukiini 1β:n ja interleukiini 18:n, vapautumiseen soluista. Amylosiini on ensimmäinen bakteeriperäinen kanavia muodostava ionoforinen myrkky, jolla tämä vaikutus on raportoitu. Alhaisten amylosiinimäärien osoitettiin aiheuttavan merkittävää annos-riippuvaista kaliumionien vuotoa somaattisista ihmissoluista sekä sian siittiöistä. Kaliumvuoto saattaa olla tekijä, joka laukaisee sytokiinien vapautumisen amylosiinille altistuneista makrofageista. Amylosiinin havaittiin myös estävän sienten ja bakteerien kasvua, mikä voi tarjota amylosiinin tuottajille kilpailuedun monimuotoisissa mikrobiyhteisöissä. Viljan jyvistä löydettiin kaksi aiemmin tunnistamatonta elintarviketurvallisuus-vaaraa. Ohran jyvistä eristettiin Paenibacillus tundrae -lajin kantoja, jotka tuottivat uutta penilidi-nimistä kuumuutta kestävää myrkkyä, joka muistutti rakenteeltaan ja toiminnaltaan kereulidia. Tämä löytö osoittaa, että Paenibacillus-sukua ei voida pitää harmittomana ihmisterveyden kannalta. Penilidi koostui kahdesta yhdisteestä, joiden molekyylimassat vastasivat kereulidia ja homokereulidia, mutta joiden kromatografiset retentioajat olivat pidemmät viitaten hydrofobisempaan rakenteeseen kuin kereulidikomponenteilla. Penilidi toimi lipofiilisenä kalium-ionoforina aiheuttaen depolarisaatiota, turpoamista, oksidatiivisen fosforylaation irtikytkeytymistä ja hengityksen hallinnan menetystä eristetyissä rotan mitokondrioissa. Penilidi kiihdytti glukoosin kulutusta sian munuaisten epiteeli-soluissa johtaen metaboliseen happamoitumiseen (asidoosi) ja oli sytotoksinen sian ja hiiren soluille. Penilidi oli yhtä myrkyllistä kuin kereulidi nanomolaarisilla pitoisuuksilla, joten penilidiä voidaan pitää mahdollisesti vahvana ruokamyrkytysten aiheuttajana. Penilidiä muodostui jopa +5 °C:een lämpötilassa, joten sitä voisi muodostua myös kylmäsäilytetyissä elintarvikkeissa. Toinen viljan jyviin liittyvä uusi löydös oli myrkkyjä tuottavien Streptomyces-lajien löytyminen terveeltä näyttävistä ohran ja kevätvehnän jyvistä. Ohran jyvistä eristetyt bakteerikannat, jotka tunnistettiin Streptomyces albidoflavus -ryhmän jäseniksi, tuottivat mitokondrioille myrkyllistä makrolidiyhdistettä, antimysiini A:ta, joka tunnetaan oksidatiivisen fosforylaation häiritsijänä. Kevätvehnän jyvistä eristettyjen, Streptomyces sedi -lajille läheisimmin sukua olevien bakteerien myrkyllisyyden syy jäi tuntemattomaksi. Kaikkien eristettyjen bakteerikantojen sekä jyvien myrkyllisyys havaittiin sian siittiöiden liikkuvuutta mittaavalla kokeella, joka oli riittävän herkkä havaitsemaan saastumista, joka vastasi 2 ng antimysiini A:ta ohran jyvää kohden. Antimysiini A oli myrkyllisempi sian munuaisten epiteelisoluille kuin homemyrkky enniatiini B, mutta vähemmän myrkyllinen kuin kereulidi tai penilidi. Sian munuaisten epiteelisolujen altistuminen näille neljälle toksiinille kiihdytti glukoosin kulutusta ja aiheutti mitokondrioiden depolarisaation, mikä viittaa glykolyysin tehostumiseen. Sen sijaan haiman insuliinia erittävät betasolut, jotka eivät kykene glykolyyttiseen ATP-tuotantoon, ovat paljon haavoittuvaisempia ja päätyvät nekroottiseen solukuolemaan altistuessaan mitokondriomyrkyille. Mitokondrio-myrkkyjen saastuttaman viljan syöminen voi siis haitata erityisesti haiman toimintaa. Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat, että krooninen altistuminen sisäilman tai ruoan kautta pienille määrille itiöivien bakteerien tuottamia mitokondriomyrkkyjä saattaa olla yleisempää kuin tähän saakka on oletettu. Tämän kaltainen altistuminen voi olla yhteydessä länsimaiseen elämäntapaan liittyvien tautien, kuten diabeteksen, astman, allergioiden, sydän- ja verisuonitautien sekä hermostollisten häiriöiden, maailmanlaajuisesti kohonneeseen esiintyvyyteen. Kaikki tässä työssä tutkitut myrkyt ovat kuumuutta kestäviä ja itiöivien, ankaria ympäristöoloja kestävien bakteerien tuottamia, joten niiden läsnäolon ja säilymisen estäminen elintarvikkeissa tai sisätiloissa on haastavaa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-1884-4
http://hdl.handle.net/10138/159395
Date: 2016-02-19
Subject: mikrobiologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Effectso.pdf 1.361Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record