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

In de wereld van voedselveiligheid verbergt een hardnekkige vijand zich in het volle zicht: Staphylococcus aureus. Deze bacterie is een veelvoorkomende reiziger op vlees- en zuivelproducten, in staat om ziekte te veroorzaken niet alleen door te vermenigvuldigen, maar ook door toxinen vrij te laten die gevaarlijk blijven, zelfs nadat de bacteriën zelf zijn gedood. Het probleem wordt verergerd wanneer deze bacteriën biofilms vormen, die slijmerige, beschermende gemeenschappen zijn die aan oppervlakken zoals roestvrij staal of plastic in verwerkingsinstallaties kleven. Deze gemeenschappen fungeren als een fort, dat de bacteriën afschermt van standaard reinigingsmiddelen en ze extreem moeilijk te verwijderen maakt. Omdat deze bacteriën in zulke zware omstandigheden kunnen overleven, zoeken wetenschappers naar een preciezere manier om hen te bestrijden, waarbij ze hun aandacht richten op de eigen natuurlijke roofdieren van de natuur: virussen die bacteriën infecteren, bekend als bacteriofagen. Deze virussen zijn zeer specifiek; ze jagen alleen op hun bacteriële doelwitten terwijl ze andere cellen ongemoeid laten, wat een potentiële biologische tool biedt om voedselproductieomgevingen schoon te maken zonder de harde chemicaliën die soms falen tegen deze veerkrachtige biofilms.

Onderzoekers in Xinjiang, China, hebben onlangs een specifieke virus getest die zij hadden geïsoleerd, genaamd SJP49-2, om te zien of het effectief Staphylococcus aureus kon opsporen en de beschermende biofilms kon ontmantelen. Ze begonnen met het onderzoeken van het virus onder een microscoop, wat een structuur onthulde die typerend is voor zijn soort: een geometrische kop die zijn genetisch materiaal bevat en een lange, flexibele staart die wordt gebruikt om zich aan bacteriën te hechten. Om zijn jachtbereik te testen, stelde het team het virus bloot aan een collectie van 92 verschillende stammen van de bacterie. Het virus bleek een bekwame jager te zijn, die erin slaagde 64 van die stammen aan te vallen en te vernietigen, een succespercentage van bijna 70 procent. Deze brede bekwaamheid om verschillende versies van de bacterie te infecteren, suggereerde dat het een nuttige tool zou kunnen zijn voor het omgaan met de diverse stammen die in echte voedselomgevingen worden aangetroffen.

Het team onderwierp het virus vervolgens aan een reeks stresstests om te zien hoe goed het zou overleven in de omstandigheden die het in een voedselverwerkingsinstallatie zou kunnen tegenkomen. Ze stelden het virus bloot aan een breed scala aan temperaturen en zuurgraadniveaus. Het virus hield het goed in neutrale omgevingen en bij kamertemperatuur, maar had aanzienlijke problemen wanneer het boven de 5 de Celsius werd verhit, waarbij het na een uur bij hogere temperaturen het grootste deel van zijn vermogen om bacteriën te infecteren verloor. Deze bevinding is cruciaal voor toepassingen in de voedselveiligheid, aangezien het suggereert dat het virus het best geschikt is voor gebruik in koelere omgevingen of als een laatste stap na de hittebehandeling, in plaats van als een tool die tijdens het koken moet worden toegevoegd. Het toonde ook aan dat het virus kan overleven in een breed scala aan pH-waarden, waarbij het actief blijft in omgevingen die licht zuur tot licht alkalisch zijn, wat veel omstandigheden in de voedselverwerking dekt.

Vervolgens onderzochten de onderzoekers hoe het virus presteerde tegen de bacteriën in twee verschillende toestanden: vrij zwevend in een vloeistof en opgesloten in een biofilm. Wanneer de bacteriën vrij zweefden, voorkwam het virus dat ze effectief vermenigvuldigden, vooral wanneer het in hoge aantallen werd geïntroduceerd. De echte test kwam echter met de biofilms. Het team probeerde eerst te voorkomen dat de biofilms zouden vormen door het virus aan het begin toe te voegen. In deze gevallen verminderde het virus de hoeveelheid slijmachtige biomassa die zich opbouwde met bijna 80 procent vergeleken met onbehandelde monsters. Ze testten ook of het virus biofilms kon afbreken die al gevormd en uitgehard waren. Dit was nog succesvoller; wanneer het virus werd toegepast op gevestigde biofilms, verminderde het de resterende biomassa met bijna 95 procent. Dit geeft aan dat het virus niet alleen goed is in het stoppen van de bacteriën bij het bouwen van een fort, maar ook in staat is om een fort dat al in stand is, te ontmantelen.

Om te zien of deze resultaten stand hielden in een echte voedselomgeving, plaatsten de onderzoekers de bacteriën op steriele blokjes rundvlees en behandelden deze met het virus. Ze observeerden de bacterieaantallen gedurende acht uur. In het onbehandelde rundvlees vermenigvuldigden de bacteriën zich snel. In het met het virus behandelde rundvlees was het aantal bacteriën aan het einde van het experiment aanzienlijk lager, en de snelheid waarmee ze groeiden was veel langzamer. De meest effectieve behandeling, waarbij het virus in de hoogste ratio aan de bacteriën werd geïntroduceerd, hield het bacterietal meer dan twee log-eenheden lager dan de controlegroep. Dit betekent dat het virus de groei van de bacteriën op het vleesoppervlak succesvol heeft beperkt, waardoor ze niet de hoge aantallen bereikten die in de onbehandelde monsters werden gezien.

Ten slotte keek het team in het virus om diens genetische samenstelling te begrijpen. Ze sequenceten het volledige genoom, wat een relatief kleine cirkel van DNA is die 69 genen bevat. Door de genetische code te vergelijken met die van 19 andere vergelijkbare virussen, vonden ze dat het virus, hoewel het een kernset van genen deelt met zijn verwanten, ook een unieke combinatie van andere genen bevat die het onderscheidt. De genetische analyse suggereerde dat dit virus het potentieel heeft om in een rusttoestand in de bacterie te gaan, een eigenschap die bekend staat als temperance, in plaats om de gastheer onmiddellijk te doden. Ondanks dit genetische potentieel vertoonde het virus echter een sterke antibacteriële activiteit in hun experimenten. De onderzoekers scanden de genen van het virus ook op bekende gevarensignalen, zoals toxinen die de mens schade kunnen berokkenen, en vonden geen bewijs van dergelijke bedreigingen in de standaarddatabases die zij controleerden, hoewel ze opmerkten dat sommige genamen in de gegevens inconsistent waren en zorgvuldige interpretatie vereisten.

De studie concludeert dat SJP49-2 een veelbelovende kandidaat is voor de controle van Staphylococcus aureus in voedselgerelateerde omgevingen. Het doodt de bacteriën effectief, voorkomt dat ze beschermende slijmlagen vormen, en kan bestaande slijmlagen afbreken, terwijl het tegelijkertijd een veiligheidsprofiel vertoont dat geen bekende menselijke toxinen bevat. Hoewel het virus gevoelig is voor hoge temperaturen, suggereert zijn vermogen om in een rundvleesmatrix te werken en zijn brede werkingsbereik tegen verschillende bacteriestammen, dat het een waardevolle toevoeging kan zijn aan de gereedschapskist die wordt gebruikt om voedsel veilig te houden. De onderzoekers benadrukken dat hun werk een solide basis biedt voor verder onderzoek, met name voor het begrijpen van hoe dit virus met zijn gastheer interageert en hoe de unieke genetische kenmerken ervan kunnen worden ingezet voor betere strategieën voor voedselveiligheid.