Bacteriophages infecting Acidovorax citrulli, the causal agent of bacterial fruit blotch, have been proven to be effective for the prevention and control of this disease. However, the occurrence of bacteriophage-resistant bacteria is one of hurdles in phage biocontrol and the understanding of phage resistance in this bacterium is an essential step. In this study, we aim to investigate possible phage resistance of A. citrulli and relationship between phage resistance and pathogenicity, and to isolate and characterize the genes involved in these phenomena. A phage-resistant and less-virulent mutant named as AC-17-G1 was isolated among 3,264 A. citrulli Tn5 mutants through serial spot assays and plaque assays followed by pathogenicity test using seed coating method. The mutant has the integrated Tn5 in the middle of a cupin protein gene. This mutant recovered its pathogenicity and phage sensitivity by complementation with corresponding wild-type gene. Site-directed mutation of this gene from wild-type by CRISPR/Cas9 system resulted in the loss of pathogenicity and acquisition of phage resistance. The growth of AC-17-G1 in King's B medium was much less than the wild-type, but the growth turned into normal in the medium supplemented with D-mannose 6-phosphate or D-fructose 6-phosphate indicating the cupin protein functions as a phosphomannos isomerase. Sodium dodecyl sulfa analysis of lipopolysaccharide (LPS) extracted from the mutant was smaller than that from wild-type. All these data suggest that the cupin protein is a phosphomannos isomerase involved in LPS synthesis, and LPS is an important determinant of pathogenicity and phage susceptibility of A. citrulli.
Salmonella is one of the principal causes of foodborne outbreaks. As traditional control methods have shown less efficacy against emerging Salmonella serotypes or antimicrobial-resistant Salmonella, new approaches have been attempted. The use of lytic phages for the biocontrol of Salmonella in the food industry has become an attractive method owing to the many advantages offered by the use of phages as biocontrol agents. Phages are natural alternatives to traditional antimicrobial agents; they have proven effective in the control of bacterial pathogens in the food industry, which has led to the development of different phage products. The treatment with specific phages in the food industry can prevent the decay of products and the spread of bacterial diseases, and ultimately promotes safe environments for animal and plant food production, processing, and handling. After an extensive investigation of the current literature, this review focuses predominantly on the efficacy of phages for the successful control of Salmonella spp. in foods. This review also addresses the current knowledge on the pathogenic characteristics of Salmonella, the prevalence of emerging Salmonella outbreaks, the isolation and characterization of Salmonella-specific phages, the effectiveness of Salmonella-specific phages as biocontrol agents, and the prospective use of Salmonella-specific phages in the food industry.
With an increase in the consumption of non-heated fresh food, foodborne shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) has emerged as one of the most problematic pathogens worldwide. Endolysin, a bacteriophage-derived lysis protein, is able to lyse the target bacteria without any special resistance, and thus has been garnering interest as a powerful antimicrobial agent. In this study, rV5-like phage endolysin targeting E. coli O157:H7, named as LysECP26, was identified and purified. This endolysin had a lysozyme-like catalytic domain, but differed markedly from the sequence of lambda phage endolysin. LysECP26 exhibited strong activity with a broad lytic spectrum against various gram-negative strains (29/29) and was relatively stable at a broad temperature range (4℃-55℃). The optimum temperature and pH ranges of LysECP26 were identified at 37℃-42℃ and pH 7-8, respectively. NaCl supplementation did not affect the lytic activity. Although LysECP26 was limited in that it could not pass the outer membrane, E. coli O157: H7 could be effectively controlled by adding ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and citric acid (1.44 and 1.14 log CFU/ml) within 30 min. Therefore, LysECP26 may serve as an effective biocontrol agent for gram-negative pathogens, including E. coli O157:H7.
Weizmannia coagulans (formerly Bacillus coagulans) is Gram-positive, and spore-forming bacteria causing food spoilage, especially in acidic canned food products. To control W. coagulans, we isolated a bacteriophage Youna2 from a sewage sludge sample. Morphological analysis revealed that phage Youna2 belongs to the Siphoviridae family with a non-contractile and flexible tail. Youna2 has 52,903 bp double-stranded DNA containing 61 open reading frames. There are no lysogeny-related genes, suggesting that Youna2 is a virulent phage. plyYouna2, a putative endolysin gene was identified in the genome of Youna2 and predicted to be composed of a N-acetylmuramoyl-L-alanine amidase domain (PF01520) at the N-terminus and unknown function DUF5776 domain (PF19087) at the C-terminus. While phage Youna2 has a narrow host range, infecting only certain strains of W. coagulans, PlyYouna2 exhibited a broad antimicrobial spectrum beyond the Bacillus genus. Interestingly, PlyYouna2 can lyse Gram-negative bacteria such as Escherichia coli, Yersinia enterocolitica, Pseudomonas putida and Cronobacter sakazakii without other additives to destabilize bacterial outer membrane. To the best of our knowledge, Youna2 is the first W. coagulans-infecting phage and we speculate its endolysin PlyYouna2 can provide the basis for the development of a novel biocontrol agent against various foodborne pathogens.
Heo, Sunhak;Kim, Min Gon;Kwon, Mirae;Lee, Hee Soo;Kim, Geun-Bae
한국축산식품학회지
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제38권1호
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pp.88-98
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2018
In this study, we isolated and characterized a bacteriocin-producing strain and two bacteriophages (P4, A3), showing antimicrobial effects against Clostridium perfringens, from chicken and swine feces by the spot-on-the lawn antagonism method. The selected strain was identified as Streptococcus hyointestinalis by 16S rRNA gene sequencing. The bacteriocin from the isolated strain exhibited strong inhibitory activity against four strains of C. perfringens and all the tested strains of Listeria monocytogenes, and the bacteriocin were highly heat- and pH-stable even at pH 2, pH 10 and $121^{\circ}C$ for 15 min. We also evaluated the combined effects of the isolated bacteriocin and phages. Combining the phage treatments and bacteriocin resulted in a synergetic effect compared with the phage or the bacteriocin alone. In addition, during the probiotic test, the bacteriocin-producing S. hyointestinalis B19 strain reduced the population of C. perfringens significantly. Treatment with S. hyointestinalis B19 and a cocktail of lytic bacteriophages eradicated the C. perfringens KCTC $3269^T$, completely. Consequently, the isolated bacteriocin and bacteriophages represent candidates for effective biocontrol of C. perfringens, and bacteriocin-producing S. hyointestinalis B19 is a potential probiotic candidate for use in domestic animals.
Concerns over drug-resistant bacteria have stimulated interest in developing alternative methods to control bacterial infections. Endolysin, a phage-encoded enzyme that breaks down bacterial peptidoglycan at the terminal stage of the phage reproduction cycle, is reported to be effective for the control of bacterial pathogenic bacteria. Bioinformatic analysis of the SPN9CC bacteriophage genome revealed a gene that encodes an endolysin with a domain structure similar to those of the endolysins produced by the P1 and P22 coliphages. The SPN9CC endolysin was purified with a C-terminal oligo-histidine tag. The endolysin was relatively stable and active over a broad temperature range (from $24^{\circ}C$ to $65^{\circ}C$). It showed maximal activity at $50^{\circ}C$, and its optimum pH range was from pH 7.5 to 8.5. The SPN9CC endolysin showed antimicrobial activity against only gram-negative bacteria and functioned by cutting the glycosidic bond of peptidoglycan. Interestingly, the SPN9CC endolysin could lyse intact gram-negative bacteria in the absence of EDTA as an outer membrane permeabilizer. The exogenous lytic activity of the SPN9CC endolysin makes it a potential therapeutic agent against gram-negative bacteria.
Lee, Sunhee;Kim, Min Gon;Lee, Hee Soo;Heo, Sunhak;Kwon, Mirae;Kim, GeunBae
한국축산식품학회지
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제37권2호
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pp.320-328
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2017
In this study, two Listeria bacteriophages, LMP1 and LMP7, were isolated from chicken feces as a means of biocontrol of L. monocytogenes. Both bacteriophages had a lytic effect on L. monocytogenes ATCC 7644, 15313, 19114, and 19115. Phages LMP1 and LMP7 were able to inhibit the growth of L. monocytogenes ATCC 7644 and 19114 in tryptic soy broth at $10^{\circ}C$ and $30^{\circ}C$. Nevertheless, LMP1 was more effective than LMP7 at inhibiting L. monocytogenes ATCC 19114. On the contrary, LMP7 was more effective than LMP1 at inhibiting L. monocytogenes ATCC 7644. The morphology of LMP1 and LMP7 resembled that of members of the Siphoviridae family. The growth of L. monocytogenes ATCC 7644 was inhibited by both LMP1 and LMP7 in milk; however, the growth of L. monocytogenes ATCC 19114 was only inhibited by LMP1 at $30^{\circ}C$. The lytic activity of bacteriophages was also evaluated at $4^{\circ}C$ in milk in order to investigate the potential use of these phages in refrigerated products. In conclusion, these two bacteriophages exhibit different host specificities and characteristics, suggesting that they can be used as a component of a phage cocktail to control L. monocytogenes in the food industry.
Outbreaks of staphylococcal food poisoning (SFP) causing serious human diseases and economic losses have been reported globally. Furthermore, the spread of Staphylococcus aureus with increased resistance to multiple antimicrobial agents has become a major concern in the food industries and medicine. Here, we isolated an endolysin LysSAP8, as one of the peptidoglycan hydrolases, derived from the bacteriophage SAP8 infecting S. aureus. This endolysin was tagged with a 6×His at the C-terminal of the target protein and purified using affinity chromatography. LysSAP8 demonstrated lytic activity against a broad spectrum of bacteria, which included a majority of the staphylococcal strains tested in this study as well as the methicillin-resistant S. aureus (MRSA); however, no such activity was observed against other gram-positive or gram-negative bacteria. Additionally, LysSAP8 could maintain bactericidal activity until 0.1 nM working concentration and after heat treatment at 37℃ for 30 min. The ability of LysSAP8 to lyse cells under varying conditions of temperature (4-43℃), pH (3-9), and NaCl concentrations (0-1,000 mM), and divalent metal ions (Ca2+, Co2+, Cu2+, Mg2+, Mn2+, Hg2+, and Zn2+) was examined. At the optimized condition, LysSAP8 could disrupt approximately 3.46 log CFU/ml of the planktonic cells in their exponential phase of growth within 30 min. In this study, we have suggested that LysSAP8 could be a potent alternative as a biocontrol agent that can be used to combat MRSA.
Xanthomonas oryzae pv. oryzae에 의해서 발생하는 벼 흰잎마름병은 세계적으로 벼 재배지역에서 큰 피해를 주고 있다. 그러나, 이 병의 효과적인 방제 수단은 적은 실정이다. 본 연구에서는 국내 벼 재배지의 관개수에서 분리한 Xoo 파지를 이용하여 흰잎마름병을 생물적으로 방제하고자 하였다. 먼저 포장에서의 사용가능성을 확인하기 위하여 pH, 온도, 자외선에 대한 Xoo 파지의 안정성을 조사하였다. Xoo 파지는 pH 5-pH 10 사이에서는 안정적이었고, $50^{\circ}C$에서 1시간 이상 처리시 대부분 불활성화 되었다. 자외선을 조사하였을 때는 약 2분간의 노출에서도 불활성화 되었다. 벼의 유묘에 살포한 파지는 세균이 없이도 7일간 벼 잎에서 활성을 유지하였고, 스킴 밀크에 혼합하여 살포하면 PBS 완충액에 넣어 살포한 것 보다 10배 이상의 생존율을 보였다. 그러나 이러한 생존율의 증가에도 불구하고 포장에서의 방제효과는 저조하였다. 하지만 파지 혼합액을 Tecloftalam WP, ASM 등과 혼합하여 동시에 살포하면 방제효과가 월등히 증가하였다. 이상의 결과는 Xoo 파지가 흰잎마름병의 방제에 사용될 수 있으며, 약제의 사용 빈도나 농도를 줄여 줄 수 있을 것임을 의미한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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