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Mit Phagen Bakterien bekämpfen

Sie töten Bakterien gezielt, schnell und effizient ab, ohne dabei andere Organismen zu schädigen. Diese natürliche Fähigkeit von Phagen kann zum Nachweis und zur Kontrolle von pathogenen Bakterien in Lebensmitteln genutzt werden.

von Tobias Lobmaier

Der Phagenkreislauf.

Phagen sind natürliche Viren, die auf Bakterien als Wirtszelle spezifiziert sind. Mit einer geschätzten Anzahl von über 1030 Phagenpartikel auf der Erde sind Phagen die am häufigsten vorkommende selbstreplizierende biologische Einheit, welche schon seit Urzeiten die Bakterienpopulationen kontrolliert. Etwa ein Drittel der gesamten Bakterienmasse wird täglich durch Phagen zerstört. Phagen sind sehr wirtsspezifisch und befallen nur einzelne Arten von Bakterien.

Durch die Fähigkeit, Bakterien schnell, spezifisch und effi­zient abzutöten, ohne dabei andere Organismen (wie andere Bak­terien, Mensch, Tier oder Pflanze) zu schädigen, bieten Phagen viele Möglichkeiten für die Medizin, die Lebensmittelindustie und die Agrar- und Veterinärwirtschaft.

Der Feind des Feindes

Martin Loessner, Professor für Le-bensmittelmikrobiologie am Institut für Lebensmittelwissenschaften, Ernährung und Gesundheit an der ETH Zürich, beschäftigt sich intensiv mit Phagen und entwickelt Strategien für die Verbesserung der Lebensmittelsicherheit.Die hohe Spezifität und die effiziente Wirkung der Phagen können in der Lebensmittelindustrie genutzt werden, um pathogene Bakterien auf einem Lebensmittel abzutöten. «Generell kann man Phagen überall zur Bekämpfung von Bakterien einsetzen», sagt Loessner. Für eine sinnvolle Anwendung in einem Lebensmittel müssen die Phagen jedoch sehr gezielt ausgewählt werden. Deren Eigenschaften, wie zum Beispiel der Wirtsbereich oder die Übertragung von genetischem Material, müssen bekannt sein. Zudem müssen die pathogenen Bakterien räumlich begrenzt vorkommen und die Phagen müssen gezielt appliziert werden können.
Das erste Studienobjekt im Labor für Lebensmittelmikrobiologie der ETH ist die Bekämpfung von Listeria monocytogenes in der Milchindustrie. Listerien sind auf Käse besonders gefürchtet und es gibt wenige Alternativen für eine wirksame Bekämpfung. Die entwickelten Phagen haben sich bewährt und sind in Einzelfällen in der Schweiz zur

Behandlung von Käse zugelassen.

Neben der Käseherstellung gibt es weitere Anwendungsgebiete wie Fleisch, Fisch, Schnitt­salate oder andere Convenienceprodukte. Besonders gegen Salmonellen und Listerien eignen sich Phagen sehr gut. Bei E. coli ist die Phagenbehandlung heikler. Weil pathogene E. coli sehr nah verwandt sind zu den kommensalen, nichtpathogenen E. coli, besteht die Gefahr, dass die Phagen die Darmflora schädigen. Auch das Risiko eines horinzontalen Gentransfers ist grösser.
Weltweit sind verschiedene Anwendungen von Phagen für die Lebensmittelindustrie zugelassen. In nördlichen Ländern werden Phagen in der Fischzucht verwendet. In den USA werden bereits Phagen gegen Salmonellen und Listerien in verschiedenen Lebensmitteln eingesetzt, oder auch E. coli Phagen für die Dekontaminierung von Tieren vor der Schlachtung. Die Europäische Lebensmittelsicherheitsagentur EFSA ist allerdings noch zögerlich mit der Zulassung von Phagen-Anwendungen in der Lebensmittelindustrie. Man befürchtet einen Missbrauch durch die Hersteller, indem sie anstelle von hygienischen Massnahmen Phagen einsetzen. «In den letzten zehn bis fünfzehn Jahren ist nicht viel gegangen», sagt Loessner. «Doch im letzten Jahr hat man sich dazu durchgerungen, dass die Anwendung von Listeriaphagen in Milchprodukten zugelassen werden soll. Zudem gibt es weitere Motionen, die darauf hinzielen, Phagen allgemein in Lebensmitteln als ein biologisches Mittel zur Bekämpfung von pathogenen Bakterien zuzulassen.»

Anwendungen in der Analytik

Die hohe Spezifität der Phagen kann auch für eine schnellere und günstigere Analytik genutzt werden. Einerseits können Reporterphagen hergestellt werden. Reporterphagen sind Phagen, denen ein zusätzliches Gen eingefügt wird. Dieses Reportergen macht eine infizierte Bakterie detektierbar. In den meisten Fällen ist es ein Enzym, welches die infizierten Bakterien visuell erkennbar macht. Zum Beispiel wird das Gen für Luciferase, ein Enzym, das beim Leuchtkäfer für die Lichtbildung verantwortlich ist, als Reportergen verwendet. Für den Nachweis von pathogenen Keimen muss die Probe nur noch sechs bis zwölf Stunden in einem Selektivmedium angereichert werden und kann dann mit den Phagen versetzt werden. Wenn die Probe den Wirtskeim der Phagen enthält, kann dies visuell durch Lichtbildung erkennbar gemacht werden. «Um Reporterphagen wirtschaftlich sinnvoll einzusetzen, braucht es eine Technologieplattform, die für alle relevanten Bakterien angewendet werden kann», sagt Loessner. An der ETH Zürich werden aktuell synthetische Reporterphagen mit einer neuartigen, sehr effizienten Luciferase entwickelt, die zum Nachweis von Listerien, Salmonellen und Staphylokokken verwendet werden können.
Andererseits können Phagenbestandteile isoliert und wie Antikörper verwendet werden. Für Gram-positive Bakterien eignen sich dazu die Endolysine, Enzyme, die durch eine zellwandbindende Einheit sehr wirtsspezifisch die Zellwand erkennen und sich daran binden. Bei Gram-negativen Bakterien funktionieren Endolysine nicht, da die Zellwand unter der äusseren Zellmembran ist. An der ETH Zürich konnten Proteine hergestellt werden, welche bei Salmonella-Phagen für die Anheftung an die äussere Zellmembran der Salmonellen verantwortlich sind und zur Detektion dieser Krankheitserreger verwendet werden können.

Mit Phagen gegen den Feuerbrand

Auch in der Agronomie können Phagen eingesetzt werden, um bak­terielle Schädlinge unter Kontrolle zu haben. In Zusammenarbeit mit der Agroscope untersucht die Forschungsgruppe für Lebensmittelmikrobiologie an der ZHAW Wädenswil Phagen, die den Erreger von Feuerbrand infizieren.

Der Feuerbrand-Erreger, das Gram-negative Bakterium Erwinia amylovora, befällt Kernobstbäume wie Apfel- und Birnenbäume und verwandte Wild- und Ziergehölze und führt zum Absterben der Pflanze. Besonders gefährlich ist der Erreger, weil er hochansteckend ist: Über einen Bakterienschleim wird er schnell auf andere Bäume übertragen, was bei günstiger Witterung zu massiven Schäden führt. «Wir haben sehr effektive Phagen gegen den Feuerbrand isoliert und konnten im Labor schon recht gute Ergebnisse erzielen», sagt Lars Fieseler, Leiter der Forschungsgruppe für Lebensmittelmikrobiologie der ZHAW Wädens­wil. «Die Umweltappli­kation ist jedoch noch eine Her­ausforderung. Im Gegensatz zu Lebensmitteln oder zur Medizin muss man bei Umweltapplikationen die Phagen gegen Umwelteinflüsse stabilisieren. Für den Schutz gegen UV-Strahlung haben wir eine natürliche UV-Strahlen absorbierende Substanz gefunden, die den Phagen beigemischt werden kann. Zudem müssen die Phagen optimal auf den Pflanzen verteilt werden können. Da die Pflanzen eine wasserabstossende Wachsschicht haben, sind für eine flächendeckende Verteilung der Phagen weitere Formulierungen nötig. Dafür braucht es weitere anwendungsbezogene Forschung.»
Neben Phagen, die Erwinia amylovora infizieren, wird im Labor für Lebensmittelmikrobiologie der ZHAW auch mit Phagen gegen andere gramnegative Bakterien wie Salmonellen und E. coli geforscht.
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