Biological and comparative genomic characterization of Staphylococcus aureus phage SJP49-2 and its effects on biofilm biomass

في عالم سلامة الغذاء، يختبئ عدو مستمر في وضح النهار: بكتيريا Staphylococcus aureus (المكورات العنقودية الذهبية). هذه البكتيريا مسافرة شائعة في منتجات اللحوم والألبان، وهي قادرة على التسبب في الأمراض ليس فقط من خلال التكاثر، بل عبر إطلاق سموم تظل خطيرة حتى بعد قتل البكتيريا نفسها. وتتفاقم المشكلة عندما تشكل هذه البكتيريا أغشية حيوية (biofilms)، وهي مجتمعات لزجة واقية تلتصق بالأسطح مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو البلاستيك في مصانع التصنيع. تعمل هذه المجتمعات كحصن، حيث تحمي البكتيريا من مواد التنظيف الكيميائية القياسية وتجعل إزالتها صعبة للغاية. ولأن هذه البكتيريا يمكنها البقاء على قيد الحياة في مثل هذه الظروف القاسية، فقد بحث العلماء عن طريقة أكثر دقة لمحاربتها، ملتفتين باهتمامهم إلى مفترسات الطبيب الخاصة: الفيروسات التي تصيب البكتيريا، والمعروفة باسم "العاثيات" (bacteriophages). هذه الفيروسات متخصصة للغاية، حيث تطارد أهدافها البكتيرية فقط بينما تترك الخلايا الأخرى دون ضرر، مما يوفر أداة بيولوجية محتملة لتنظيف بيئات إنتاج الغذاء دون استخدام المواد الكماوية القاسية التي تفشل أحياناً في مواجهة هذه الأغشية الحيوية الصامدة.

قام باحثون في شينجيانغ، الصين، مؤخراً باختبار فيروس محدد قاموا بعزله، أطلقوا عليه اسم SJP49-2، لمعرفة ما إذا كان بإمكانه مطاردة بكتيريا Staphylococcus aureus وتفكيك أغشيتها الحيوية الواقية. بدأوا بفحص الفيروس تحت المجهر، ليكشف عن بنية نموذجية لنوعه: رأس هندسي يحتوي على مادته الوراثية وذيل طويل ومرن يُستخدم للالتصاق بالبكتيريا. ولاختبار نطاق صيده، عرض الفريق الفيروس لمجموعة مكونة من 92 سلالة مختلفة من البكتيريا. أثبت الفيروس أنه صياد ماهر، حيث نجح في مهاجمة وتدمير 64 من تلك السلالات، بنسبة نجاح تقارب 70 بالمائة. هذا القدر الواسع من العدوى لمختلف نسخ البكتيريا يشير إلى أنه يمكن أن يكون أداة مفيدة للتعامل مع السلالات المتنوعة الموجودة في بيئات الغذاء الواقعية.

ثم أخضع الفريق الفيروس لسلسلة من اختبارات الإجهاد لمعرفة مدى قدرته على البقاء في الظروف التي قد يواجهها في مصنع تصنيع الأغذية. عرضوا الفيروس لمجموعة واسعة من درجات الحرارة ومستويات الحموضة. صمد الفيروس جيداً في البيئات المتعادلة وعند درجة حرارة الغرفة، لكنه عانى بشكل كبير عند تسخينه فوق 50 درجة مئوية، حيث فقد معظم قدرته على إصابة البكتيريا بعد ساعة واحدة في درجات الحرارة المرتفعة. هذه النتيجة حاسمة لتطبيقات سلامة الغذاء، حيث تشير إلى أن الفيروس هو الأنسب للاستخدام في البيئات الأكثر برودة أو كخطوة نهائية بعد المعالجة الحرارية، بدلاً من أن يكون أداة تُضاف أثناء الطهي. كما أظهر الفيروس أنه يمكنه البقاء في نطاق واسع من مستويات الأس الهيدروجيني (pH)، حيث ظل نشطاً في البيئات الحمضية قليلاً إلى القلوية قليلاً، وهو ما يغطي العديد من الظروف الموجودة في تصنيع الأغذية.

بعد ذلك، بحث الباحثون في كيفية أداء الفيروس ضد البكتيريا في حالتين مختلفتين: وهي عائمة بحرية في سائل، ومحصنة داخل غشاء حيوي. عندما كانت البكتيريا عائمة، منعها الفيروس من التكاثر بفعالية، خاصة عند إدخاله بأعداد كبيرة. ومع ذلك، كان الاختبار الحقيقي يتعلق بالأغشية الحيوية. حاول الفريق أولاً منع تشكل الأغشية الحيوية عن طريق إضافة الفيروس في البداية؛ وفي هذه الحالات، قلل الفيروس من كمية الكتلة الحيوية اللزجة التي تراكمت بنسبة تقارب 80 بالمائة مقارنة بالعينات غير المعالجة. كما اختبروا ما إذا كان بإمكان الفيروس تفكيك الأغشية الحيوية التي تشكلت وتصلبت بالفعل. كان هذا أكثر نجاحاً؛ فعند تطبيق الفيروس على الأغشية الحيوية القائمة، قلل من الكتلة الحيوية المتبقية بنسبة تقارب 95 بالمائة. يشير هذا إلى أن الفيروس ليس بارعاً فقط في منع البكتيريا من بناء حصن، بل هو قادر أيضاً على تفكيك حصن موجود بالفعل.

ولرؤية ما إذا كانت هذه النتائج ستصمد في بيئة غذائية حقيقية، وضع الباحثون البكتيريا على مكعبات معقمة من لحم البقر وعالجوها بالفيروس. راقبوا أعداد البكتيريا على مدار ثماني ساعات. في لحم البقر غير المعالج، تكاثرت البكتيريا بسرعة. أما في لحم البقر المعالج بالفيروس، فقد كان عدد البكتيريا أقل بكثير في نهاية التجربة، وكان معدل نموها أبطأ بكثير. وكان العلاج الأكثر فعالية، حيث تم إدخال الفيروس بأعلى نسبة إلى البكتيريا، قد أبقى عدد البكتيريا أقل بأكثر من درجتين لوغاريتميتين (2 log units) عن مجموعة الضبط. وهذا يعني أن الفيروس نجح في الحد من نمو البكتيريا على سطح اللحم، ومنعها من الوصول إلى الأعداد العالية التي شوهدت في العينات غير المعالجة.

أخيراً، نظر الفريق داخل الفيروس لفهم تركيبته الجينية. قاموا بتسلسل جينومه بالكامل، وهو عبارة عن دائرة صغيرة نسبياً من الحمض النووي (DNA) تحتوي على 69 جيناً. ومن خلال مقارنة شفرته الوراثية بـ 19 فيروساً آخر مشابهاً، وجدوا أنه بينما يتشارك الفيروس في مجموعة أساسية من الجينات مع أقاربه، فإنه يحمل أيضاً مزيجاً فريداً من الجينات الأخرى التي تجعله متميزاً. أشارت التحليلات الجينية إلى أن هذا الفيروس لديه القدرة على الدخول في حالة خمول داخل البكتيريا، وهي سمة تُعرف باسم "الاعتدال" (temperance)، بدلاً من قتل المضيف فوراً. ومع ذلك، وبالرغم من هذه الإمكانات الجينية، أظهر الفيروس نشاطاً قوياً مضاداً للبكتيريا في تجاربهم. كما فحص الباحثون جينات الفيروس بحثاً عن أي إشارات خطر معروفة، مثل السموم التي قد تضر البشر، ولم يجدوا أي دليل على مثل هذه التهديدات في قواعد البيانات القياسية التي فحصوها، رغم ملاحظتهم أن بعض أسماء الجينات في البيانات كانت غير متسقة وتطلبت تفسيراً دقيقاً.

تخلص الدراسة إلى أن SJP49-2 يعد مرشحاً واعداً للسيطرة على بكتيريا Staphylococcus aureus في البيئات المرتبطة بالغذاء. فهو يقتل البكتيريا بفعالية، ويمنعها من تشكيل الطبقات اللزجة الواقية، ويمكنه تفكيك طبقات اللزوجة الموجودة بالفعل، كل ذلك مع إظهار ملف تعريف سلامة لا يتضمن سموماً بشرية معروفة. وبينما يتأثر الفيروس بالحرارة العالية، فإن قدرته على العمل في وسط لحم البقر ونطاق نشاطه الواسع ضد سلالات بكتيرية مختلفة تشير إلى أنه يمكن أن يكون إضافة قيمة لمجموعة الأدوات المستخدمة للحفاظ على سلامة الغذاء. ويؤكد الباحثون أن عملهم يوفر أساساً متيناً لمزيد من الدراسة، لا سيما فيما يتعلق بفهم كيفية تفاعل هذا الفيروس مع مضيفه وكيف يمكن تسخير ميزاته الجينية الفريدة لاستراتيجيات أفضل لسلامة الغذاء.