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

In der Welt der Lebensmittelsicherheit lauert ein hartnäckiger Feind direkt vor Augen: Staphylococcus aureus. Dieses Bakterium ist ein häufiger Begleiter auf Fleisch- und Milchprodukten und ist in der Lage, Krankheiten nicht nur durch Vermehrung zu verursachen, sondern auch durch die Freisetzung von Toxinen, die selbst dann gefährlich bleiben, wenn die Bakterien selbst abgetötet wurden. Das Problem wird dadurch verschärft, dass diese Bakterien Biofilme bilden – schleimige, schützende Gemeinschaften, die an Oberflächen wie Edelstahl oder Kunststoff in Verarbeitungsbetrieben haften bleiben. Diese Gemeinschaften fungieren wie eine Festung, die die Bakterien vor Standard-Reinigungsmitteln abschirmt und es unglaublich schwierig macht, sie zu entfernen. Da diese Bakterien unter solch schwierigen Bedingungen überleben können, suchen Wissenschaftler nach einem präziseren Weg, um sie zu bekämpfen, und richten ihr Augenmerk auf die natürlichen Jäger der Natur: Viren, die Bakterien infizieren, bekannt als Bakteriophagen. Diese Viren sind hochspezifisch, jagen nur ihre bakteriellen Ziele, während sie andere Zellen unversehrt lassen, und bieten somit ein potenzielles biologisches Werkzeug, um Lebensmittelproduktionsumgebungen ohne die harten Chemikalien zu reinigen, die manchmal gegen diese widerstandsfähigen Biofilme versagen.

Forscher in Xinjiang, China, haben kürzlich versucht, einen speziellen Virus, den sie als SJP49-2 isoliert haben, zu testen, um zu sehen, ob er effektiv Staphylococcus aureus jagen und diese schützenden Biofilme demontieren kann. Sie begannen damit, den Virus unter einem Mikroskop zu untersuchen, wobei die Struktur typisch für seine Art zum Vorschein kam: ein geometrischer Kopf, der sein genetisches Material enthält, und ein langer, flexibler Schwanz, der dazu dient, sich an Bakterien anzuheften. Um seinen Jagdbereich zu testen, setzte das Team den Virus einer Sammlung von 92 verschiedenen Stämmen der Bakterien aus. Der Virus erwies sich als geschickter Jäger und griff 64 dieser Stämme erfolgreich an und zerstörte sie, was einer Erfolgsquote von fast 70 Prozent entspricht. Diese breite Fähigkeit, verschiedene Versionen der Bakterien zu infizieren, deutet darauf darauf hin, dass er ein nützliches Werkzeug zur Bekämpfung der vielfältigen Stämme in realen Lebensmittelumgebungen sein könnte.

Das Team unterzog den Virus anschließend einer Reihe von Stresstests, um zu sehen, wie gut er die Bedingungen überstehen kann, denen er in einem Lebensmittelverarbeitungsbetrieb begegnen könnte. Sie setzten ihn einem breiten Spektrum von Temperaturen und Säuregraden aus. Der Virus hielt sich in neutralen Umgebungen und bei Raumtemperatur gut durch, hatte jedoch erhebliche Schwierigkeiten, wenn er über 50 Grad Celsius erhitzt wurde, wobei er nach einer Stunde bei höheren Temperaturen den Großteil seiner Fähigkeit zur Infektion von Bakterien verlor. Dieser Befund ist entscheidend für Anwendungen in der Lebensmittelsicherheit, da er darauf hindeutet, dass der Virus am besten für den Einsatz in kühleren Umgebungen oder als letzter Schritt nach der Wärmebehandlung geeignet ist und nicht als Werkzeug, das während des Kochens hinzugefügt wird. Er zeigte auch, dass der Virus in einem breiten pH-Bereich überleben kann, indem er in Umgebungen aktiv bleibt, die leicht sauer bis leicht alkalisch sind, was viele Bedingungen in der Lebensmittelverarbeitung abdeckt.

Als Nächstes untersuchten die Forscher, wie der Virus gegen die Bakterien in zwei verschiedenen Zuständen abschneidet: frei in einer Flüssigkeit schwimmend und in einem Biofilm eingeschlossen. Wenn die Bakterien schwammen, stoppte der Virus deren effektive Vermehrung, insbesondere wenn er in hohen Zahlen eingeführt wurde. Der wahre Test kam jedoch mit den Biofilmen. Das Team versuchte zuerst, die Bildung der Biofilme zu verhindern, indem es den Virus zu Beginn hinzufügte. In diesen Fällen reduzierte der Virus die Menge der schleimigen Biomasse im Vergleich zu unbehandelten Proben um fast 80 Prozent. Sie testeten auch, ob der Virus bereits gebildete und ausgehärtete Biofilme aufbrechen konnte. Dies war sogar noch erfolgreicher; als der Virus auf etablierte Biofilme angewendet wurde, reduzierte er die verbleibende Biomasse um fast 95 Prozent. Dies deut zeigt, dass der Virus nicht nur gut darin ist, die Bakterien am Aufbau einer Festung zu hindern, sondern auch in der Lage ist, eine, die bereits in Stellung ist, zu demontieren.

Um zu sehen, ob sich diese Ergebnisse in einem realen Lebensmittelumfeld halten lassen, platzierten die Forscher die Bakterien auf sterile Rindfleid-Würfel und behandelten diese mit dem Virus. Sie beobachteten die Bakterienzahlen über acht Stunden. Im unbehandelten Rindfleisch vermehrten sich die Bakterien schnell. In dem mit dem Virus behandelten Rindfleisch war die Anzahl der Bakterien am Ende des Experiments signifikant niedriger und die Rate, mit der sie wuchsen, war viel langsamer. Die effektivste Behandlung, bei der der Virus im höchsten Verhältnis zu den Bakterien eingeführt wurde, hielt die Bakterienzahl um mehr als zwei Log-Einheiten niedriger als die Kontrollgruppe. Das bedeutet, dass der Virus das Wachstum der Bakterien auf der Fleischoberfläche erfolgreich begrenzt und sie daran gehindert hat, die hohen Zahlen zu erreichen, die in den unbehandelten Proben beobachtet wurden.

Schließlich untersuchte das Team das Innere des Virus, um dessen genetische Zusammensetzung zu verstehen. Sie sequenzierten sein gesamtes Genom, welches ein relativ kleiner Kreis aus DNA mit 6-9 Genen ist. Durch den Vergleich dieses genetischen Codes mit dem von 19 anderen ähnlichen Viren fanden sie heraus, dass der Virus zwar einen Kernsatz von Genen mit seinen Verwandten teilt, aber auch eine einzigartige Kombination anderer Gene trägt, die ihn unverwechselbar macht. Die genetische Analyse deutete darauf hin, dass dieser Virus das Potenzial hat, in einen Ruhezustand in die Bakterien einzutreten, eine Eigenschaft, die als Temperenz bekannt ist, anstatt den Wirt sofort zu töten. Trotz dieses genetischen Potenzials zeigte der Virus jedoch eine starke antibakterielle Aktivität in ihren Experimenten. Die Forscher scannten die Gene des Virus auch nach bekannten Gefahrensignalen, wie etwa Toxinen, die für Menschen schädlich sein könnten, und fanden keine Hinweise auf solche Bedrohungen in den standardmäßigen Datenbanken, die sie überprüften, wenngleich sie anmerkten, dass einige Genbezeichnungen in den Daten inkonsistent waren und eine sorgfältige Interpretation erforderten.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass SJP49-2 ein vielversprechender Kandidat für die Kontrolle von Staphylococcus aureus in lebensmittelbezogenen Umgebungen ist. Er tötet die Bakterien effektiv ab, verhindert deren Bildung schützender Schleimschichten und kann bestehende Schleimschichten abbauen, während er gleichzeitig ein Sicherheitsprofil aufweist, das keine bekannten menschlichen Toxine enthält. Obwohl der Virus empfindlich gegenüber hoher Hitze ist, deutet seine Fähigkeit, in einer Rindfleisch-Matrix zu wirken, und sein breites Spektrum an Aktivitäten gegen verschiedene Bakterienstämme darauf hin, dass er eine wertvolle Ergänzung für das Instrumentarium sein könnte, das zur Sicherung der Lebensmittelsicherheit eingesetzt wird. Die Forscher betonen, dass ihre Arbeit eine solide Grundlage für weitere Studien bietet, insbesondere für das Verständnis darüber, wie dieser Virus mit seinem Wirt interagiert und wie seine einzigartigen genetischen Merkmale für bessere Lebensmittelsicherheitsstrategien genutzt werden können.