Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Wissenschaft und Forschung: Ausgabe 09/2013, 18.09.2013

Viren für die Lebensmittelsicherheit

Experten am Labor für Lebensmittelmikrobiologie der ETHZ forschen an Methoden und Technologien, um Phagen und deren Bestandteile zur Erhöhung der Lebensmittelsicherheit zu nutzen. Listeria wie auch Salmonella rückten in den letzten Jahren als Zielorganismen in den Fokus dieser Forschungen.

Dr. Jochen Klumpp
Labor für Lebensmittelmikrobiologie; Institut für Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit, ETH Zürich, jklumpp@ethz.ch

Prof. Dr. Martin J. Loessner
Gruppenleiter Labor für Lebensmittelmikrobiologie, Institut für Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit, ETH Zürich, martin.loessner@ethz.ch,
www.foodmicrobiology.ethz.ch


Ein Schwerpunkt der Forschung am Labor für Lebensmittelmikrobiologie der ETH Zürich ist der Nachweis und die Bekämpfung von krank machenden Keimen im Lebensmittel. Trotzt modernen Herstellungsverfahren und strikten Hygienemassnahmen ist eine stetig wachsende Zahl von Lebensmittel-assoziierten Infektionen und Intoxikationen in der Bevölkerung zu verzeichnen. Neben dem Fehlverhalten des Konsumenten bei Lagerung und Zubereitung von Speisen sind oft auch Rohprodukte oder Produktionsmaschinen Quelle der Kontamination in der industriellen Verarbeitung. Besondere Bedeutung kommt dabei Keimen wie Listeria, Campylobacter, Escherichia coli und Salmonella zu. Diese sind für die Mehrzahl der Lebensmittel-assoziierten Erkrankungen verantwortlich. Grössere Ausbrüche mit Todesfällen, wie die EHEC-Epidemie 2011 in Deutschland oder die Listeriosefälle durch kontaminierte Melonen in den USA 2012, unterstreichen die Notwendigkeit sowohl von zuverlässigen Methoden zum Nachweis von Kontaminationen als auch von Methoden zur Bekämpfung von Pathogenen in der Lebensmittelproduktion.

Wissenschaftliche Basis. Bakteriophagen sind Viren, welche ausschliesslich Bakterien befallen und abtöten können (Abbildung). Wissenschaftler haben sie schon vor rund 100 Jahren entdeckt und ihnen grosse Fortschritte in der Molekularbiologie zu verdanken. Bakteriophagen wurden ausserdem bereits früh in der Humantherapie von Infektionskrankheiten eingesetzt. Diese Therapieform geriet aber in der westlichen Welt aufgrund der Entdeckung der Antibiotika rasch in Vergessenheit. In den letzten Jahren ist ein wiedererstarktes Forschungsinteresse an Bakteriophagen zu verzeichnen. Neben der klinischen Anwendung erforschen Experten diese nun auch intensiv für die Nutzung zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit. Einerseits werden spezifische Typen von Bakteriophagen zur Bekämpfung bestimmter Krankheitserreger in Lebensmitteln genutzt. Andererseits sind Bestandteile der Phagen und deren Enzyme nützliche Werkzeuge für den Nachweis von Bakterien und die Bekämpfung selbiger. Das Labor für Lebensmittelmikrobiologie der ETHZ erforscht seit vielen Jahren die Biologie von Bakteriophagen, welche Listeria, Bacillus, Staphylococcus, Salmonella und andere lebensmittelrelevante Keime infizieren. Die Forschungstätigkeit soll am Beispiel von Phagen zur Bekämpfung von Salmonella aufgezeigt werden.

Forschungsschwerpunkte. Bakteriophagen für Salmonellen kennt die Wissenschaft seit vielen Jahrzehnten. Dennoch ist es aufgrund der hohen Diversität der Salmonellen (über 2500 Serovare alleine innerhalb der Spezies Salmonella enterica) bisher kaum gelungen, Bakteriophagen zu isolieren, welche gegen eine grosse Zahl von Salmonellen aktiv sind, also ein breites Wirtsspektrum aufweisen. Einzig die Phagen vom Typ «Felix-O1», die seit den 1940er-Jahren bekannt sind, zeigen solch einen einigermassen breiten Wirtsbereich. Dennoch ist erstaunlich wenig über deren Biologie bekannt – die Genomsequenz dieses interessanten Phagen wurde sogar erst 2010 veröffentlicht. Dem Labor für Lebensmittelmikrobiologie ist es gelungen, eine Variante von Felix-O1 in einer Pilotstudie erfolgreich gegen Salmonellen in kontaminierten Lebensmitteln einzusetzen. Dabei haben die ETH-Forscher besonders auch niedrige Kontaminationsraten zwischen 10 und 1000 Keimen pro Gramm oder ml Lebensmittel untersucht, wie sie auch realistisch in natürlich kontaminierten Proben vorkommen. Die künstlich mit Salmonellen dotierten Proben wurden anschliessend bei 8 oder 15 °C gelagert. Bei 8 °C – dort ist kein Wachstum der Salmonellen möglich – haben die Wissenschaftler in allen untersuchten Lebensmitteln durch den Einsatz der Bakteriophagen eine vollständige Eliminierung der Erreger erreicht. Bei 15°C konnten sie eine Reduktion der Keimzahl von bis zu fünf Zehnerpotenzen erzielen. Dies stellt mit Sicherheit eine signifikante Reduktion des Infektionsrisikos für den Konsumenten dar. Der Einsatz von Bakteriophagen im Lebensmittel kann als eine natürliche, gefahrlose Möglichkeit zur gezielten und nachhaltigen Bekämpfung von krankmachenden Bakterien angesehen werden. Die in den letzten Jahren erfolgte behördliche Zulassung von verschiedenen Phagenpräparationen, beispielsweise gegen Listeria monocytogenes (Listex P100™, Micreos, Niederlande), unterstreicht die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Methode. Überdies hat die Anwendung von Phagen einen weiteren wichtigen Vorteil gegenüber anderen Mikrobioziden: Der Virus entwickelt sich parallel zum bakteriellen Zielorganismus weiter und kann dadurch auch möglicherweise entstehende Resistenzen überwinden.

Jüngster Forschungserfolg. Kürzlich gelang es im Labor für Lebensmittelmikrobiologie, einen sehr interessanten und breit wirksamen Bakteriophagen gegen Salmonella zu isolieren, welcher S16 genannt wurde. Dieser Phage infiziert mehr als 90 Prozent der untersuchten 180 Salmonellenstämme und ist gleichzeitig hochspezifisch für diese Bakterien. Nah verwandte Organismen wie Escherichia coli oder Enterobacter werden nicht infiziert. Mittels einer Präparation aus S16 alleine, beziehungsweise in Kombination mit Felix O1-E2, liess sich eine Mixtur aus drei stark virulenten Salmonella Enteritidis, Typhimurium und Newport-Stämmen in künstlich kontaminierter Schokoladenmilch (1000 Keime pro ml) komplett abtöten. Diejenigen Bakterien, welche von Felix O1-E2 nicht infiziert wurden, hat dabei S16 abgetötet und umgekehrt. Beide Bakteriophagen ergänzen sich also ideal und sind in Kombination geeignet, alle Mitglieder der Spezies Salmonella enterica wirkungsvoll zu bekämpfen (Abb. 1D). Ein Industriepartner entwickelt momentan diese Kombination bis hin zur kommerziellen Verfügbarkeit weiter. Es gelang überdies, den zellulären Rezeptor des Phagen S16 zu identifizieren, das äussere Membranprotein (OmpC) der Salmonella-Zellwand. Lange Schwanzfasern des Phagen erkennen dieses Protein und binden es irreversibel mit sehr hoher Affinität. Es ist den ETH-Wissenschaftlern gelungen, mithilfe dieses Werkzeuges ein Detektionssystem zu entwickeln, das sich für die Immobilisierung, selektive Anreicherung und den spezifischen Nachweis von Salmonellen im Lebensmittel eignet. Das Bindeprotein des Bakteriophagen lässt sich separat vom Viruspartikel herstellen und in hoher Reinheit darstellen. Dieses wird dann an magnetische Nanopartikel gebunden. Mithilfe solchermassen funktionalisierter, Salmonella-bindender Partikel und eines einfachen Magneten lassen sich die Zielkeime im Lebensmittel gezielt von anderen Bakterien und sonstigen Bestandteilen der Matrix trennen. Die an die Nanokügelchen gebundenen Salmonellen können nun einer weiteren Bestimmung, zum Beispiel durch Ausplattieren auf Selektivnährmedien oder durch molekulare Nachweismethoden, wie Realtime-PCR, zugeführt werden. Mit diesen Verfahren lässt sich eine Verkürzung der Nachweiszeit für Salmonellen im Lebensmittel von vormals vier Tagen auf zirka fünf bis zehn Stunden erreichen, bei einer nochmals erhöhten Sensitivität. Damit rückt das Ziel – leicht verderbliche Nahrungsmittel bereits vor der Auslieferung auf bakterielle Kontaminationen zu untersuchen – in greifbare Nähe.

Zukünftige Entwicklung. Prinzipiell sind die beschriebenen Verfahren zur Bekämpfung und zum Nachweis von Salmonella in Lebensmitteln auf andere Krankheitserreger übertragbar. Das Labor für Lebensmittelmikrobiologie arbeitet intensiv an Bakteriophagen-basierten Nachweis- und Desinfektionssystemen für entsprechend relevante Lebensmittelkeime, beispielsweise Listeria monocytogenes, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus und Cronobacter sakazakii.