Бактериофаги для борьбы с патогенами, передающимися с пищей и фаги, применяемые для безопасности продуктов питанияБактериофаги для борьбы с патогенами, передающимися с пищей и фаги, применяемые для безопасности продуктов питания
В последние годы применение фаговой терапии для борьбы с патогенными бактериями переживает новый ренессанс, вызванный появлением бактерий с множественной лекарственной устойчивостью.
Бактериофаги - естественные хищники бактерий, обладающие рядом преимуществ, главные из которых связаны с их высокой специфичностью и безвредностью для человека, животных и растений. Взаимодействие между фагами и их хозяевами играет важную роль в эволюционно-экологических механизмах резистентности бактерий и инфекционности фагов ("антагонистическая коэволюция"). Некоторые неудачи в применении фаговой терапии обусловлены мутациями бактерий, которые привели к развитию резистентности (Buckling and Rainey, 2002).
Чтобы считаться идеальными кандидатами в качестве агентов биоконтроля в продуктах питания, фаги должны быть строго литическими и, возможно, иметь широкий спектр хозяев. Чтобы преодолеть это ограничение, можно использовать составы с несколькими фагами (фаговые коктейли). Но сколько и какие изоляты должны составлять эти коктейли? Оптимальный состав должен обеспечивать компромисс между достижением высокого снижения бактериальной нагрузки и минимизацией побочных эффектов (стоимость производства, дисбиоз, риск горизонтального переноса токсинов, резистентности к антибиотикам или генов вирулентности) при увеличении сложности коктейля.
Molina et al. решили эти сложные вопросы, предложив новую схему конструирования фаговых коктейлей. Их анализ начался с построения фагово-бактериальной инфекционной сети (PBIN) из матриц ареалов хозяев с помощью двух различных алгоритмов - генетического и эвристического. Первый привел к более низкой температуре, т.е. к увеличению степени вложенности, упрощая идентификацию фагов с наиболее широким спектром хозяев. Они провели мета-анализ 35 матриц диапазона хозяев и предложили новую метрику для оценки размера фагового коктейля. В итоге они применили агломеративную иерархическую кластеризацию к своим данным, разработав коктейль, который был способен снизить количество бактерий Escherichia coli, выделенных из сыра, на пять порядков.
Для дальнейшего подтверждения этих результатов Molina et al. представили еще одну работу, в которой они охарактеризовали колифаги, выделенные из фекалий овец, и штаммы E. coli, выделенные из сыров из козьего и овечьего сырого молока. Некоторые фаги имели широкий спектр хозяев, что делает их хорошими кандидатами для биоконтроля E. coli. Однако они подчеркнули, что вирулентность фагов снижалась по мере увеличения диапазона восприимчивости бактерий, пока не достигла плато, что свидетельствует о локальной коэволюции генов между хозяевами и фагами, которая объясняет способность выделенных ими фагов размножаться в штаммах хозяев из разных ниш. Они пришли к выводу, что при разработке долгосрочных и краткосрочных стратегий биоконтроля могут потребоваться различные составы фаговых коктейлей. Их результаты подтверждают важность знания специфических взаимодействий между фагами и бактериями для разработки успешного применения фагов.
Составление коктейля также лежит в основе работы Mangieri et al., которая показывает важность этого конкретного шага в любом начинании фаговой терапии. Целью авторов было создание коктейля, способного снизить количество патогенных E. coli (Шига-токсин-продуцирующих E. coli-STEC) в продуктах питания. Они проанализировали 20 различных бактериофагов, выделенных из фекалий, сточных вод и подстилочного материала, на предмет их литической способности в отношении популяции штаммов STEC, принадлежащих к различным серогруппам и имеющих различные профили антибиотикорезистентности. Три из этих фагов были отобраны, принимая во внимание их профиль RAPD (Random Amplification of Polymorphic DNA) и отсутствие генов резистентности к антибиотикам и генов, кодирующих вирулентность.
Затем этот коктейль был протестирован непосредственно на пищевой матрице (огурец) при различных температурах, что привело к снижению числа клеток E. coli на 2 порядка через 24 часа как при 4, так и при 25°C, что говорит о возможности его применения для биоконтроля различных серогрупп STEC в необработанных продуктах и продуктах RTE (Ready-to-Eat Foods). Учитывая, что заболевания пищевого происхождения, по оценкам, являются причиной 600 миллионов заболеваний, приводящих к 420 000 смертей (Havelaar et al., 2015), возможность использования бактериофагов и их производных для предотвращения или уничтожения пищевых патогенов является чрезвычайно важной. Данная работа показывает потенциал использования фагов в свежих овощах и открывает новые возможности для будущих исследований по их применению.
Еще одним важным преимуществом бактериофагов является то, что они не вызывают никаких проблем у потребителей и не влияют на вкус, цвет, запах и текстуру пищевых продуктов. Исходя из этого предположения, Ahmadi et al. исследовали эффективность использования бактериофагов, добавленных в качестве ингредиента в приготовленный мясной продукт, для контроля роста Listeria monocytogenes. Они разработали различные сценарии применения бактериофагов и заражения патогенами, где фаг и чувствительный штамм вводились внутрь или на поверхность вареного мяса, хранившегося при температуре 4°C.
Только при нанесении фага непосредственно поверх L. monocytogenes, инокулированных на поверхности вареного мяса, наблюдалось снижение числа клеток ниже предела обнаружения. Что касается других применений, когда фаг и бактерии смешивались и инокулировались в мясо, или когда только бактериофаг инокулировался в мясо, а L. monocytogenes распределялись на поверхности, или наоборот, не удалось добиться снижения числа клеток. Основной причиной, вероятно, является иммобилизация фагов и бактерий, инокулированных в твердую пищевую матрицу, которая ограничивает взаимодействие бактериофаг-хозяин. Поэтому необходимы дополнительные исследования для расширения доступа фагов к их хозяевам в сложных матрицах, а также интеграция таких областей, как пищевые технологии, наноматериалы, контролируемая доставка активных соединений и совместимые с пищевыми продуктами биоэмульгаторы.
В целом, бактериофаги, несомненно, обладают большим потенциалом в контексте безопасности пищевых продуктов. Поскольку для создания подходящего коктейля или продукта, полученного с помощью фагов, необходимо провести дополнительные исследования для удовлетворения текущих потребностей промышленного сектора, эта новая и перспективная область является открытым полем для междисциплинарных исследований и инноваций.
