Экспериментальные пластыри на мясе, фруктах и овощах могут уничтожить до 99,9% бактерий.
Каждый год сотни миллионов людей во всем мире заболевают из-за микробных патогенов, содержащихся в продуктах питания. Но вирусы, уничтожающие бактерии, называемые бактериофагами, могут предложить необычное решение. Исследователи разработали пластыри с микроиглами, которые непосредственно вводят в пищу эти фаги. Как сообщено недавно в журнале Science Advances, при нанесении на приготовленную курицу пластыря размером не больше ногтя на мизинце, содержавшим бактериофаги, удалось уничтожить 99,9% всех бактерий Escherichia coli в мясе и на его поверхности. Такое творческое применение микроигл может стать “потенциально революционным” шагом для пищевой промышленности, говорит биотехнолог из Университета Калгари Донгьян Ниу. “Эффективность довольно впечатляющая и это является хорошим подтверждением концепции".
В развитых странах более 40% отзывов продуктов питания происходят из-за бактериальной контаминации, вызванной такими видами, как E. coli и Salmonella enterica, и ожидается, что по мере усложнения глобальных цепочек поставок это число будет только увеличиваться. Однако существующие меры предосторожности имеют ограничения. Антибиотики, которые дают птице и домашнему скоту или распыляют на полях, могут стимулировать развитие резистентных штаммов, а дезинфицирующие средства и химические моющие средства, используемые на поздних стадиях производства продуктов питания, могут уничтожить полезные бактерии. “Мы полагаемся на полезные бактерии, которые содержатся в наших продуктах, определяя их вкус, текстуру и запах”, - поясняет Зейнаб Хоссейнидуст, биоинженер из Университета Макмастера (Канада). “Мы не хотим от них избавляться”.
Бактериофаги абсолютно безвредны для нас - каждый из них заражает только высокоспецифичную подгруппу бактериальных штаммов. Вскоре после того, как фаг заражает бактерию и захватывает ее, чтобы размножаться, бактерия погибает и хотя бактерии также могут вырабатывать устойчивость к фагам, выжившие, как правило, слабее, и фаги могут продолжать размножаться и эволюционировать, чтобы противостоять им, что делает фаги мощными противомикробными средствами.
Однако нанесение фагов на поверхность может не быть таким эффективным. Из-за своей структуры фаги, как правило, остаются на поверхности и с трудом проникают в пищу. “Просто подумайте о сыре, со всем его разнообразием мягкости и твердости, а на микроскопическом уровне — о отверстиях, через которые проходят мельчайшие частицы”, - говорит Хоссейнидуст. По ее словам, все эти вариации создают барьер для проникновения фагов в пищу, а это означает, что любые бактерии, спрятанные глубже, остаются вне досягаемости. Поэтому для аспирантки Университета Макмастера Аканши Прасад микроиглы стали очевидным решением. Микроиглы, которые часто используются в медицинских и косметических средствах, таких как пластыри от кожных высыпаний, проникают через защитный кожный барьер, пропуская необходимые соединения. Прасад задалась вопросом, можно ли с помощью подобной конструкции вводить фаги непосредственно в саму пищу.
Чтобы выбрать лучший материал, Прасад и ее коллеги сначала изготовили пластыри с микроиглами из нескольких полимеров. Каждая игла была толщиной со швейную иглу и высотой с две сложенные стопкой монетки. Затем исследователи протестировали пластыри на различных продуктах в имитируемых производственных условиях, нанося их на все, от сыра, запаянного в вакуумную упаковку, до красноватой водянистой жидкости, которая выделяется из сырой курицы. А чтобы имитировать процесс транспортировки продуктов с фермы в магазин, они нанесли пластыри на грибы и персики, прежде чем их измельчить.
Один из материалов для пластырей, PPМА, отличался своей прочностью, консистенцией и возможностью многократного использования. При введении микроиглами фагов, нацеленных на кишечную палочку, пластыри из РРМА снизили уровень кишечной палочки в сыром стейке почти на 99%, а в приготовленной курице - на 99,9%. Для сравнения, пластыри без игл, покрытые фагами, уничтожали только около трех четвертей бактерий. К удивлению авторов, даже смешанный коктейль из фагов, нацеленных на кишечную палочку и сальмонеллу, оказался эффективным, сократив количество бактерий на 96,5% и 99,4% соответственно.
Поскольку фаги могут и часто взаимодействуют друг с другом, Прасад говорит, что поначалу успех “казался мечтой, потому что в реальном мире вы не можете быть уверены, что конкретно является причиной контаминации”. Ким Стэнфорд, исследователь по безопасности пищевых продуктов из Университета Летбриджа (Великобритания), также не уверена, что этот метод будет работать за пределами лаборатории. По ее словам, так как каждый фаг может атаковать только определенный набор штаммов, для покрытия огромного разнообразия микробов в реальной пище потребовались бы пластыри с большим количеством разных фагов. Стэнфорд отмечает, что исследователи протестировали только несколько штаммов кишечной палочки и сальмонеллы. Однако в реальной жизни у этих видов много штаммов, для каждого из которых часто требуется свой собственный фаг.
Кан Хуан, инженер по биоматериалам из Университета штата Вашингтон, который не принимал участия в работе, добавляет еще одно потенциальное ограничение: температура. Многие фаги лучше всего работают при умеренных и более высоких температурах, обычно от 10°C до 40°C, но мясо, сыры и многие другие пищевые продукты хранятся в холодильнике при температуре 4°C. “Я обеспокоен тем, что более низкая температура значительно снизит активность фагов”, - говорит Хуан.
Исследователи согласны с тем, что необходимы дополнительные испытания. В их ранних экспериментах микроиглы, наполненные фагами, сохраняли полную антибактериальную активность в течение как минимум недели при температуре 4°C. В будущих исследованиях необходимо будет выяснить, сохраняется ли эта активность в холодильнике или морозильной камере дольше. В конечном счете, Хоссейнидуст планирует, что пластыри станут частью повседневной упаковки пищевых продуктов — они заменят влагоотводящие прокладки в лотках для мяса, на внутренней стороне пакетов для салата или даже на конвейерных лентах перерабатывающих предприятий. Но до этого микроиглам предстоит преодолеть, пожалуй, самое большое препятствие: убедить потребителей не отказываться от продуктов, содержащих вирусы. “Фаги безопасны и уже присутствуют в нашей среде повсеместно”, - говорит она. “Это то, что всем нам стоит научиться принимать”.
