Novel Lytic Enterococcus Phage as a Biocontrol Strategy for Multidrug-Resistant Enterococcus faecalis Biofilms on Food-Contact Surfaces: Genomic and Functional Insights

In der verborgenen Welt der Lebensmittelsicherheit lauert ein hartnäckiges Problem auf den Oberflächen von Molkereiverarbeitungsprozessen. Es handelt sich nicht um ein einzelnes Bakterium, sondern um eine Gemeinschaft von ihnen, die zusammen in einer schleimigen, schützenden Schicht lebt, die als Biofilm bekannt ist. Diese Gemeinschaften werden von Bakterien wie Enterococcus faecalis gebildet, die von Natur aus robust sind und unter harten Bedingungen, von hoher Hitze bis hin zu salzigen Umgebungen, überleben können. Sobald sie an Edelstahlgeräten haften und diese Biofilme aufbauen, sind sie unglaublich schwer zu entfernen. Standardmäßige Reinigungschemikalien versagen oft, weil der Schleim als Schild fungiert, der die Bakterien im Inneren schützt. Dies ist ein großes Problem, da diese Bakterien Antibiotikaresistenzen tragen können, was sie für die menschliche Gesundheit gefährlich macht, und sie können Lebensmittel verderben oder die Produktionslinie kontaminieren. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem Weg, diese Schilde zu durchbrechen, ohne aggressivere Chemikalien zu verwenden, die möglicherweise die Ausrüstung oder das Lebensmittel selbst beschädigen könnten.

Ein Team von Forschern aus Ägypten und Japan hat sich an den eigenen Räuber der Natur gewandt, um dieses Problem zu lösen: den Bakteriophagen. Dies sind Viren, die gezielt Bakterien jagen. Im Gegensatz zu den Viren, die Menschen infizieren, zielen Bakteriophagen ausschließlich auf Bakterienzellen ab. Sie wirken, indem sie an ein Bakterium anheften, ihr genetisches Material injizieren und die Zelle in eine Fabrik verwandeln, die mehr Viren produziert, bis die Zelle platzt und stirbt. Die Forscher isolierten zwei dieser Viren aus Abwasserproben und suchten nach solchen, die gezielt das problematische Enterococcus faecalis angreifen. Sie fanden zwei Kandidaten, die BV26 und BV34 genannt wurden, und setzten sich zum Ziel zu untersuchen, ob diese die schwierigen Bedingungen einer Molkerei überstehen und die problematischen Enterococcus faecalis-Biofilme effektiv vernichten können.

Die Forscher untersuchten zunächst das äußere Erscheinungsbild dieser Viren mit leistungsstarken Elektronenmikroskopen. Sie entdeckten, dass beide Viren einer Familie angehören, die durch einen hexagonalen Kopf und einen langen, flexiblen Schwanz charakterisiert ist und einer winzigen Spritze gleicht, die darauf wartet, zuzustoßen. Sie testeten dann, wie gut diese Viren in verschiedenen Umgebungen überleben können. Die Ergebnisse waren vielversprechend. Die Viren blieben über einen weiten Bereich von Säuregraden, von sehr sauer bis sehr alkalisch, aktiv und konnten Temperaturen von bis zu 50 Grad Celsius standhalten. Vielleicht am überraschendsten war, dass sie durch ultraviolettes Licht, eine gängige Methode zur Sterilisation von Oberflächen, nicht geschädigt wurden. Dies bedeutete, dass diese Viren potenziell in Einrichtungen eingesetzt werden könnten, die auf UV-Licht zur Reinigung angewiesen sind, da die Viren durch diesen Prozess nicht abgetötet würden.

Um sicherzustellen, dass diese Viren sicher in der Anwendung sind, sequenzierte das Team ihren gesamten genetischen Code. Sie suchten nach Anzeichen dafür, dass die Viren schädliche Gene tragen könnten, wie etwa solche, die Krankheiten verursachen oder Bakterien resistent gegen Antibiotika machen. Die Analyse zeigte, dass die Viren rein lytisch sind, was bedeutet, dass sie nur ihre Wirte zerstören und nicht in die bakterielle DNA integriert werden, um im Ruhezustand zu verharren. Entscheidend war, dass die genetische Karte keine Virulenzfaktoren oder Antibiotikaresistenzgene enthielt, was bestätigte, dass die Viren sicher für den Einsatz in Lebensmittelproduktionsumgebungen sind. Die genetische Studie zeigte auch, dass eines der Viren, BV26, sich von anderen bekannten Viren unterscheidet und eine neue Linie in der Familie der Enterococcus-Jäger darstellt.

Das Team ging dann zum kritischsten Test über: Konnten diese Viren tatsächlich die Bildung eines Biofilms stoppen oder einen bereits bestehenden zerstören? Sie züchteten die Bakterien auf Edelstahlplättchen, die die Metalloberflächen in der Molkereiausrüstung simulieren. Als sie das Virus anwandten, um die Bakterien am Anhaften zu hindern, stellten sie fest, dass der Effekt von der Anzahl der verwendeten Viren abhing. Bei der höchsten Konzentration verhinderte das Virus die Bildung eines signifikanten Biofilms und reduzierte die Bakterienzahl über fünf Tage um mehr als drei Größenordnungen. Das bedeutet, dass statt Millionen von Bakterien nur noch einige tausend übrig blieben.

Noch beeindruckender war die Fähigkeit des Virus, eine bereits bestehende Unordnung zu beseitigen. Die Forscher ließen einen reifen Biofilm fünf Tage lang auf dem Stahl wachsen, wodurch eine dicke, etablierte Bakterienschicht entstand. Sie wendeten dann das Virus an und beobachteten, was in den nächsten 24 Stunden geschah. Innerhalb nur eines Tages hatte das Virus die Anzahl der Bakterien in dem reifen Biofilm um fast sieben Größenordnungen reduziert. Dies ist eine massive Reduktion, die den Großteil der Bakterienkolonie, die es Tage gedauert hatte aufzubauen, effektiv ausgelöscht hat. Das Virus stoppte die Bakterien nicht nur im Wachstum; es zerlegte aktiv die bestehende Gemeinschaft.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieses spezifische Virus, BV26, ein robustes und effektives Werkzeug für die Lebensmittelsicherheit ist. Es ist stabil genug, um die variierenden Bedingungen einer Molkerei zu überstehen, sicher genug für den Einsatz ohne Angst vor der Verbreitung von Resistenzen und kraftvoll genug, um sowohl hartnäckige bakterielle Filme auf Metalloberflächen zu verhindern als auch zu eliminieren. Während die Forscher anmerken, dass weitere Tests unter realen industriellen Bedingungen erforderlich sind, deuten die Ergebnisse auf einen neuen, natürlichen Weg hin, um die Reinigung von Lebensmittelverarbeitungsanlagen aufrechtzuerhalten. Durch den Einsatz eines Virus, das gezielt die Problembakterien angreift, könnte die Industrie in der Lage sein, höhere Hygienestandards einzuhalten, ohne sich ausschließlich auf chemische Desinfektionsmittel verlassen zu müssen, gegen die die Bakterien bereits eine Resistenz entwickelt haben.