Four Temperate Bacteriophages from Methicillin-resistant Staphylococcus aureus Show Broad Bactericidal and Biofilm Removal Activities

The emergence of multi-drug resistance among many bacteria including zoonotic pathogens in the food chain poses a growing public health threat to humans, animals, and the environment worldwide. The inefficiency of current antibiotics to control these pathogens necessitated the development of alternative approaches, such as phage therapy, for the prevention and treatment of human and animal infections, food safety, and wastewater treatment. In this study, four temperate bacteriophages, designated as Trsa205, Trsa207, Trsa220, and Trsa222 were isolated by mitomycin C induction from methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) strains. The phages were characterized based on their electron microscope morphology, burst size, host range, and biofilm removal potential. Based on their morphology, all four phages with isometric heads and long non-contractile tails belong to Siphoviridae family. The one-step growth curves of phages revealed that Trsa205 and Trsa207 have latent periods of about 20 min that results in a burst size of 30 and 45 virions/host cell, respectively, while Trsa220 and Trsa222 showed 25 min of latent period and produced 20 virus particles/cell. The agar-spot assay was used for phage host range determination, and biofilm removal activities were measured spectrophotometrically after crystal violet staining. It was found that at least two-thirds of 56 S. aureus strains (66%) could be lysed by phages when used in combination, and 20-38% by one of the phages. The four phages in combination were able to remove the S. aureus biofilms by 65%. Our results indicated that the newly identified bacteriophages have the potential to be used in phage therapy against multi-drug resistant S. aureus including MRSA and removal of biofilms.

Geniş Bakterisidal ve Biyofilm Giderme Etkisi Gösteren Metisiline Dirençli Staphylococcus aureus Kaynaklı Dört Yeni Ilıman Bakteriyofajın Tanımlanması

Çoklu antibiyotik direncinin besin zincirindeki zoonotik patojenler dahil tüm dünyada birçok bakteride ortaya çıkması insanlar, hayvanlar ve çevre için artan bir halk sağlığı tehdidi oluşturmaktadır. Bu patojenleri kontrol etmek için mevcut antibiyotiklerin yetersizliği, insan ve hayvan enfeksiyonlarının tedavisi, gıda güvenliği ve atık su arıtımı için faj terapisi gibi alternatif yaklaşımların geliştirilmesini gerektirmiştir. Bu çalışmada, metisiline dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) suşlarından mitomisin C indüksiyonu ile Trsa205, Trsa207, Trsa220 ve Trsa222 olarak adlandırılan dört ılıman bakteriyofaj izole edilerek tanımlanmıştır. Fajlar, elektron mikroskop morfolojisi, konak hücre başına oluşan faj sayısı, konak genişliği ve biyofilm giderme potansiyellerine göre karakterize edildi. Morfolojilerine göre, izometrik başlı ve uzun kasılmayan kuyruklu dört fajın Siphoviridae ailesine ait oldukları belirlendi. Fajların tek aşamalı büyüme eğrilerine göre, Trsa205 ve Trsa207"nin 20 dakikalık latent periyotlara sahip olduğu ve sırasıyla hücre başına 30 ve 45 faj partikülü oluşturduğu, Trsa220 ve Trsa222"nin ise 25 dakikalık latent periyotu takiben hücre başına 20 virüs partikülü oluşturduğu saptandı. Faj konak genişliği tayini için agar-damlatma yöntemi kullanıldı ve kristal viyole boyamadan sonra biyofilm giderme aktiviteleri spektrofotometrik olarak ölçüldü. Fajların tek başlarına kullanıldıklarında 56 S. aureus suşunun %20-38"unu, dört faj birlikte kullanıldığında ise tüm suşların üçte ikisini (%66) enfekte ederek lize ettiği saptandı. Dört fajın kombine kullanıldığında S. aureus biyofilmini %65 oranında giderebildiği gösterildi. Sonuçlarımız, yeni tanımlanan bakteriyofajların, MRSA dahil çoklu ilaca dirençli S. aureus suşlarına karşı ve biyofilm giderme amacıyla faj tedavisinde kullanılma potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir.

___

1. WHO: Media Centre. News Release. WHO publishes list of bacteria for which new antibiotics are urgently needed. https://www.who.int/newsroom/ detail/27-02-2017-who-publishes-list-of-bacteria-for-which-newantibiotics- are-urgently-needed; Accessed: 29 May 2020.

2. Otto M: Staphylococcal biofilms. Microbiol Spectr, 6 (4): GPP3-0023- 2018. DOI: 10.1128/microbiolspec.GPP3-0023-2018

3. Zhen X, Lundborg CS, Sun X, Hu X, Dong H: Economic burden of antibiotic resistance in ESKAPE organisms: A systematic review. Antimicrob Resist Infect Control, 8:137, 2019. DOI: 10.1186/s13756-019-0590-7

4. Li L, Zhang Z: Isolation and characterization of a virulent bacteriophage SPW specific for Staphylococcus aureus isolated from bovine mastitis of lactating dairy cattle. Mol Biol Rep, 41, 5829-5838, 2014. DOI: 10.1007/ s11033-014-3457-2

5. Rohde C, Wittmann J, Kutter E: Bacteriophages: A therapy concept against multi-drug-resistant bacteria. Surg Infect, 19, 737-744, 2018. DOI: 10.1089/sur.2018.184

6. Elbreki M, Ross RP, Hill C, O’Mahony J, McAuliffe O, Coffey A: Bacteriophages and their derivatives as biotherapeutic agents in disease prevention and treatment. J Viruses, 2014:382539, 2014. DOI: 10.1155/2014/382539

7. Kortright KE, Chan BK, Koff JL, Turner PE: Phage therapy: A renewed approach to combat antibiotic-resistant bacteria. Cell Host Microbe, 25, 219-232, 2019. DOI: 10.1016/j.chom.2019.01.014

8. Altamirano FLG, Barr JJ: Phage therapy in the postantibiotic era. Clin Microbiol Rev, 32:e00066-18, 2019. DOI: 10.1128/CMR.00066-18

9. Weynberg KD: Viruses in marine ecosystems: From open waters to coral reefs. Adv Virus Res, 101, 1-38, 2018. DOI: 10.1016/bs.aivir.2018.02.001

10. Pratama AA, van Elsas JD: The ‘Neglected’ soil virome - Potential role and impact. Trends Microbiol, 26, 649-662, 2018. DOI: 10.1016/j. tim.2017.12.004

11. Jassim SAA, Limoges RG, El-Cheikh H: Bacteriophage biocontrol in wastewater treatment. World J Microbiol Biotechnol, 32:70, 2016. DOI: 10.1007/s11274-016-2028-1

12. Deghorain M, Van Melderen L: The staphylococci phages family: An overview. Viruses, 4, 3316-3335, 2012. DOI: 10.3390/v4123316

13. Biddappa AC, Sundarrajan S, Ramalinga AB, Sriram B, Padmanabhan S: Staphylococcus bacteriophage tails with bactericidal properties: New findings. Biotechnol Appl Biochem, 59, 495-502, 2012. DOI: 10.1002/bab.1052

14. Gutiérrez D, Martínez B, Rodríguez A, García P: Isolation and characterization of bacteriophages infecting Staphylococcus epidermidis. Curr Microbiol, 61, 601-608, 2010. DOI: 10.1007/s00284-010-9659-5

15. Carey-Smith GV, Billington C, Cornelius AJ, Hudson JA, Heinemann JA: Isolation and characterization of bacteriophages infecting Salmonella spp. FEMS Microbiol Lett, 258, 182-186, 2006. DOI: 10.1111/j.1574-6968. 2006.00217.x

16. Kiliç AO, Pavlova SI, Ma WG, Tao L: Analysis of Lactobacillus phages and bacteriocins in American dairy products and characterization of a phage isolated from yogurt. Appl Environ Microbiol, 62, 2111-2116, 1996.

17. Synnott AJ, Kuang Y, Kurimoto M, Yamamichi K, Iwano H, Tanji Y: Isolation from sewage influent and characterization of novel Staphylococcus aureus bacteriophages with wide host ranges and potent lytic capabilities. Appl Environ Microbiol, 75, 4483-4490, 2009. DOI: 10.1128/AEM.02641-08

18. Soni KA, Nannapaneni R: Removal of Listeria monocytogenes biofilms with bacteriophage P100. J Food Prot, 73, 1519-1524, 2010. DOI: 10.4315/0362-028X-73.8.1519

19. Van Rijen MML, Van Keulen PH, Kluytmans JA: Increase in a Dutch hospital of methicillin-resistant Staphylococcus aureus related to animal farming. Clin Infect Dis, 46, 261-263, 2008. DOI: 10.1086/524672

20. Peton V, Le Loir Y: Staphylococcus aureus in veterinary medicine. Infect Genet Evol, 21, 602-615, 2014. DOI: 10.1016/j.meegid.2013.08.011

21. Golkar Z, Bagasra O, Pace DG: Bacteriophage therapy: A potential solution for the antibiotic resistance crisis. J Infect Dev Ctries, 8, 129-136, 2014. DOI: 10.3855/jidc.3573

22. Love MJ, Bhandari D, Dobson RCJ, Billington C: Potential for bacteriophage endolysins to supplement or replace antibiotics in food production and clinical care. Antibiotics, 7:17, 2018. DOI: 10.3390/ antibiotics7010017

23. Bradley DE: Ultrastructure of bacteriophage and bacteriocins. Bacteriol Rev, 31, 230-314, 1967.

24. Ackermann HW: 5500 Phages examined in the electron microscope. Arch Virol, 152, 227-243, 2007. DOI: 10.1007/s00705-006-0849-1

25. Young R, Wang IN, Roof WD: Phages will out: Strategies of host cell lysis. Trends Microbiol, 8, 120-128, 2000. DOI: 10.1016/s0966- 842x(00)01705-4

26. Gallet R, Kannoly S, Wang IN: Effects of bacteriophage traits on plaque formation. BMC Microbiol, 11:181, 2011. DOI: 10.1186/1471-2180-11-181

27. Choi C, Kuatsjah E, Wu E, Yuan S: The effect of cell size on the burst size of T4 bacteriophage infections of Escherichia coli B23. J Exp Microbiol Immunol, 14, 85-91, 2010.

28. Monteiro R, Pires DP, Costa AR, Azeredo J: Phage therapy: Going temperate? Trends Microbiol, 27, 368-378, 2019. DOI: 10.1016/j. tim.2018.10.00
Kafkas Üniversitesi Veteriner Fakültesi Dergisi-Cover
  • ISSN: 1300-6045
  • Yayın Aralığı: Yılda 6 Sayı
  • Başlangıç: 1995
  • Yayıncı: Kafkas Üniv. Veteriner Fak.
Sayıdaki Diğer Makaleler

Anadolu Merinos Kuzularının Rasyonlarına Farklı Dozlarda İlave Edilen Probiyotiklerin ve Mayanın Besi Performansı, Et Kalitesi, Rumen ve Duodenum Üzerine Yanıtı

Bülent BAYRAKTAR, Emre TEKCE, Musa KARAALP, Mehmet GÜL, Vecihi AKSAKALI, Enes DERTLİ, Aybike KAMİLOĞLU, Sema TİMURKAAN

Geometric Morphometric Analysis of Skull and Mandible in Awassi Ewe and Ram

İsmail DEMİRCİOĞLU, Yasin DEMIRASLAN, İftar GÜRBÜZ, Mustafa DAYAN

E ects of Probiotic (Lactobacillus farciminis) Supplementation in Quail (Coturnix coturnix japonica) Rations on Growth Performance, Blood Antioxidant Capacity and Cecal Some Short-Chain Fatty Acid Concentrations

Özlem Durna AYDIN, GÜLTEKİN YILDIZ, Oğuz MERHAN

Kırgızistan Yaylalarında Üretilen Kısrak Sütü ve Kımız’ın AFM1 Seviyelerinin Belirlenmesi

Hayrunnisa ÖZLÜ, Mustafa ATASEVER, Meryem AYDEMİR ATASEVER, Fatih Ramazan İSTANBULLUGİL

CD46 Reseptörünün RNAi İnhibisyonu BVDV Enfeksiyonuna Hücre Direncini Artırır

Shengwei HU, Ruirui HU, Liang FENG, Tao GUO, Rui YAO, Yaxin LI, Xiaokui WANG, Taotao MI

Eff ect of Diff erent Extenders on the Sperm Quality Parameters of Hu Ram Semen Preserved at 16ºC

Liuming ZHANG, Tariq SOHAIL, Yongjun LI, Yanhu WANG, Changjiang CHU, Yunkui FENG, Jinliang MA

vesi Koyunu ve Koçunda Kafatası ve Mandibulanin Geometrik Morfometrik Analizi

Mustafa Orhun DAYAN, İsmail DEMİRCİOĞLU, Yasin DEMİRASLAN, İftar GÜRBÜZ

Şansa Bağlı Regresyon Modellerinde Farklı Dereceli ve Heterojen Hata Varyanslı Legendre Polinomlarının Karşılaştırılması

Samet Hasan ABACI

A New Aspect in Neonatal Calf Diarrhea: Presence of Escherichia coli CS31A at Unexpected Ratio

Ümit ÖZCAN, Merve Gizem SEZENER, Başar Ulaş SAYILKAN, Arzu FINDIK, Emre KULLUK, Şeyda YAMAN

Brucella melitensis M5-90 Suşunun lpsA Geninin Silinmesi Brucella İle Enfekte Fare Makrofaj Hücrelerinde Kaspaz-11 ile İndüklenen Klasik Olmayan Piroptozis Yolaklarını Teşvik Eder

Meihua YANG, Yuanzhi WANG, Shengnan SONG, Yajun YANG, Hai JIANG