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

Nel mondo della sicurezza alimentare, un nemico persistente si nasconde in piena vista: lo Staphylococcus aureus. Questo batterio è un viaggiatore comune su prodotti di carne e latticini, capace di causare malattie non solo moltiplicandosi, ma rilasciando tossine che rimangono pericolose anche dopo che i batteri stessi sono stati uccisi. Il problema è aggravato quando questi batteri formano biofilm, ovvero comunità appiccicose e protettive che si aggrappano a superfici come l'acciaio inossidabile o la plastica negli impianti di lavorazione. Queste comunità agiscono come una fortezza, proteggendo i batteri dai comuni agenti chimici per la pulizia e rendendoli incredibilmente difficili da rimuovere. Poiché questi batteri possono sopravvivere in condizioni così dure, gli scienziati hanno cercato un modo più preciso per combatterli, rivolgendo la loro attenzione ai predatori naturali dei batteri: i virus che infettano i batteri, noti come batteriofagi. Questi virus sono altamente specifici, cacciano solo i loro bersagli batterici lasciando incontaminati le altre cellule, offrendo uno strumento biologico potenziale per pulire gli ambienti di produzione alimentare senza l'uso di sostanze chimiche aggressive che a volte falliscono contro questi resistenti biofilm.

Ricercatori nello Xinjiang, in Cina, hanno recentemente intrapreso il test di un virus specifico da loro isolato, chiamato SJP49-2, per vedere se fosse in grado di cacciare efficacemente lo Staphylococcus aureus e smantellare questi biofilm protettivi. Hanno iniziato esaminando il virus al microscopio, rivelando una struttura tipica della sua specie: una testa geometrica contenente il suo materiale genetico e una lunga coda flessibile utilizzata per attaccarsi ai batteri. Per testare il suo raggio d'azione, il team ha esposto il virus a una collezione di 92 diversi ceppi di batteri. Il virus si è dimostrato un cacciatore esperto, attaccando e distruggendo con successo 64 di quei ceppi, un tasso di successo di quasi il 70 percento. Questa ampia capacità di infettare diverse versioni del batterio suggerisce che potrebbe essere uno strumento utile per gestire i vari ceppi presenti negli ambienti alimentari reali.

Il team ha poi sottoposto il virus a una serie di test di stress per vedere quanto bene potesse sopravvivere alle condizioni che potrebbe incontrare in un impianto di lavorazione alimentare. Lo hanno esposto a una vasta gamma di temperature e livelli di acidità. Il virus ha retto bene in ambienti neutri e a temperatura ambiente, ma ha avuto difficoltà significative quando è stato riscaldato sopra i 5 di Celsius, perdendo la maggior parte della sua capacità di infettare i batteri dopo un'ora alle temperature più elevate. Questa scoperta è fondamentale per le applicazioni di sicurezza alimentare, poiché suggerisce che il virus sia più adatto all'uso in ambienti più freschi o come fase finale dopo il trattamento termico, piuttosto che come strumento da aggiungere durante la cottura. Ha inoltre dimostrato che il virus può sopravvivere in una vasta gamma di livelli di pH, rimanendo attivo in ambienti leggermente acidi o leggermente alcalini, il che copre molte condizioni presenti nella lavorazione degli alimenti.

Successivamente, i ricercatori hanno indagato su come il virus si comportasse contro i batteri in due stati diversi: fluttuanti liberamente in un liquido e bloccati all'interno di un biofilm. Quando i batteri erano in sospensione liquida, il virus impediva loro di moltiplicarsi efficacemente, specialmente quando introdotto in grandi quantità. La vera prova, tuttavia, è arrivata con i biofilm. Il team ha prima tentato di impedire la formazione dei biofilm aggiungendo il virus all'inizio. In questi casi, il virus ha ridotto la quantità di biomassa viscosa accumulata di quasi l'80 percento rispetto ai campioni non trattati. Hanno anche testato se il virus potesse scomporre i biofilm che si erano già formati e induriti. Questo è stato ancora più efficace; quando applicato a biofilm già stabiliti, il virus ha ridotto la biomassa rimanente di quasi il 95 percento. Ciò indica che il virus non è solo bravo a impedire ai batteri di costruire una fortezza, ma è anche capace di smantellare una che è già in essere.

Per vedere se questi risultati reggevano in un contesto alimentare reale, i ricercatori hanno posto i batteri su cubi sterili di carne bovina e li hanno trattati con il virus. Hanno osservato i conteggi batterici per otto ore. Nella carne non trattata, i batteri si moltiplicavano rapidamente. Nella carne trattata con il virus, il numero di batteri era significativamente inferiore alla fine dell'esperimento e il tasso di crescita era molto più lento. Il trattamento più efficace, in cui il virus è stato introdotto con il rapporto più alto rispetto ai batteri, ha mantenuto il conteggio batterico di oltre due unità log inferiori rispetto al gruppo di controllo. Ciò significa che il virus ha limitato con successo la crescita dei batteri sulla superficie della carne, impedendo loro di raggiungere i numeri elevati osservati nei campioni non trattati.

Infine, il team ha guardato all'interno del virus per comprenderne la composizione genetica. Hanno sequenziato l'intero genoma, che è un cerchio di DNA relativamente piccolo contenente 69 geni. Confrontando questo codice genetico con quello di altri 19 virus simili, hanno scoperto che, sebbene il virus condivida un insieme di geni fondamentali con i suoi parenti, possiede anche una combinazione unica di altri geni che lo rendono distinto. L'analisi genetica ha suggerito che questo virus ha il potenziale per entrare in uno stato dormiente all'interno dei batteri, una caratteristica nota come temperanza, invece di uccidere immediatamente l'ospite. Tuttavia, nonostante questo potenziale genetico, il virus ha dimostrato una forte attività antibatterica nei loro esperimenti. I ricercatori hanno anche scansionato i geni del virus alla ricerca di segnali di pericolo noti, come tossine che potrebbero nuocere agli esseri umani, e non hanno trovato prove di tali minacce nei database standard consultati, sebbene abbiano notato che alcuni nomi di geni nei dati erano incoerenti e richiedevano un'interpretazione attenta.

Lo studio conclude che SJP49-2 è un candidato promettente per il controllo dello Staphylococcus aureus in ambienti legati all'alimentazione. Esso uccide efficacemente i batteri, impedisce loro di formare la protezione viscosa e può smantellare gli strati viscosi esistenti, il tutto mostrando un profilo di sicurezza che non include tossine umane note. Sebbene il virus sia sensibile al calore elevato, la sua capacità di operare in una matrice di carne bovina e la sua ampia gamma di attività contro diversi ceppi batterici suggeriscono che potrebbe essere un prezioso elemento da aggiungere al kit di strumenti utilizzati per mantenere sicuri gli alimenti. I ricercatori sottolineano che il loro lavoro fornisce una base solida per ulteriori studi, in particolare per comprendere come questo virus interagisce con il suo ospite e come le sue caratteristiche genetiche uniche possano essere sfruttate per migliori strategie di sicurezza alimentare.