Foodborne Virulence: Staphylococcus aureus Enterotoxins A and D
(2010)- Abstract
- The development of new, minimally processed food products
challenges traditional concepts of food safety. How pathogenic bacteria
behave in these new matrices is not known. To fill this knowledge gap
and enable the production of food that is safe for the consumer, more
information on virulence expression of pathogens in food matrices is
required.
In this thesis, the impact of environmental factors on foodborne
intoxication due to Staphylococcus aureus enterotoxin A (SEA) and D
(SED) expression and production is described. The study of
Campylobacter jejuni infection of the chicken GI tract was used to
compare the different mechanisms of virulence of... (More) - The development of new, minimally processed food products
challenges traditional concepts of food safety. How pathogenic bacteria
behave in these new matrices is not known. To fill this knowledge gap
and enable the production of food that is safe for the consumer, more
information on virulence expression of pathogens in food matrices is
required.
In this thesis, the impact of environmental factors on foodborne
intoxication due to Staphylococcus aureus enterotoxin A (SEA) and D
(SED) expression and production is described. The study of
Campylobacter jejuni infection of the chicken GI tract was used to
compare the different mechanisms of virulence of the two foodborne
pathogens.
Studies on S. aureus demonstrated that under certain conditions,
e.g. low pH and lack of nutrients, the SEA production per cell was
increased. In the first part of these studies, when S. aureus was grown in
the presence of acetic acid, under controlled laboratory conditions; the
sea expression pattern was similar at all pH values studied, with the
expression peaking in the transition from exponential to stationary
growth phase, then falling in the stationary growth phase. The sea
expression was upregulated over a range of acetic acid concentrations,
and the increased expression could be linked to the activity of the seacarrying
prophage, showing that the prophage participated in the
regulation of virulence expression. A nucleotide sequence analysis of the
virulence region of six S. aureus strains carrying the sea gene showed
specific sea phage groups and two versions of the sea gene that may
explain the observed interstrain variance in SEA expression and
production levels.
S. aureus growth and SEA and SED expression and production were
then studied in vivo in four pork meat products. The intrinsic nature of
the meat products greatly affected the growth and expression patterns of
the organism. The number of S. aureus increased rapidly on the boiled
and smoked ham products. However, on the Serrano ham the number
of S. aureus cells did not increase until after seven days of incubation and
the microorganism did not survive on the salami investigated. In boiled
and smoked hams, active sea and sed expression was detected throughout
the one-week experiment, while the enterotoxin expression in pure
culture peaked after only a few hours of cultivation and then decreased
to low levels during the rest of the study. The SEA and SED levels on
boiled ham decreased unexpectedly after five days of incubation, maybe
due to extracellular proteolytic activity of S. aureus or lactic acid
bacteria.
Finally, the in vivo virulence of a pathogen causing foodborne
infection was studied by monitoring the dynamics of C. jejuni
colonization of the alimentary tract in chicken. Seven C. jejuni strains
simultaneously colonized two types of chicken, with different
gastrointestinal floras. The colonization patterns were the same in both
types of chicken, despite the different microbiota, showing that the
background flora had no major effect on the colonization order. Instead,
it was suggested that factors concerning the host, probably the host’s
immune response, affected the C. jejuni population during infection.
A greater understanding of how bacterial growth and virulence
expression are related and regulated by environmental factors and food
preservatives will provide safer food products and give rise to new
approaches to disease prevention and control in the future through the
improvement of quantitative risk assessments. The virulence of
foodborne pathogens can be an important complement to the viable
counts traditionally used in food safety assessments. (Less) - Abstract (Swedish)
- Popular Abstract in Swedish
Uppskattningsvis 30 % av befolkningen i industrialiserade länder
drabbas varje år av förgiftningar och infektioner överförda via livsmedel
och frekvensen i utvecklingsländer tros vara högre. För att kunna
producera säker mat behövs mer kunskap om vilka egenskaper hos
livsmedelsburna patogener, dvs. sjukdomsframkallande mikroorganismer
som gör oss sjuka. Dessa egenskaper brukar med ett gemensamt namn
kallas för virulensfaktorer. Det är molekyler såsom gifter (toxiner) som
frisätts av mikroorganismer för att (i) möjliggöra infektion av värden, (ii)
undvika värdens immunförsvar och (iii) för att få näring.
I denna... (More) - Popular Abstract in Swedish
Uppskattningsvis 30 % av befolkningen i industrialiserade länder
drabbas varje år av förgiftningar och infektioner överförda via livsmedel
och frekvensen i utvecklingsländer tros vara högre. För att kunna
producera säker mat behövs mer kunskap om vilka egenskaper hos
livsmedelsburna patogener, dvs. sjukdomsframkallande mikroorganismer
som gör oss sjuka. Dessa egenskaper brukar med ett gemensamt namn
kallas för virulensfaktorer. Det är molekyler såsom gifter (toxiner) som
frisätts av mikroorganismer för att (i) möjliggöra infektion av värden, (ii)
undvika värdens immunförsvar och (iii) för att få näring.
I denna avhandling har virulens hos Staphylococcus aureus och
Campylobacter jejuni studerats, två av de vanligaste livsmedelspatogenerna.
Dessa två bakterier har olika mekanismer för att orsaka
sjukdom hos människa. S. aureus producerar gifter, enterotoxiner, som
ger de klassiska matförgiftningssymptomen kräkning, illamående,
magont och diarré. Medan bakterien är värmekänslig och avdödas vid
korrekt tillagning av maten, är enterotoxinerna extremt värmetåliga. Har
toxinerna väl bildats är det svårt att oskadliggöra dem. Det är därför
viktigt att förhindra att dessa gifter bildas i vår mat. Till skillnad från S.
aureus måste C. jejuni infektera vår tarm för att orsaka sjukdom. C.
jejuni finns naturligt i kycklingtarm utan att orsaka sjukdom hos
värddjuret. Kycklingköttet smittas av bakterien genom kontaminering
från tarmen under slakt. Tillagas köttet sedan inte ordentligt orsakas
magsjuka.
Genom att förstå vilka faktorer i S. aureus omgivning som påverkar
enterotoxiners uttryck (genexpression) och bildande (toxinproduktion)
kan man styra bakteriens virulens genom matproduktens sammansättning
och på så vis förbättra livsmedelssäkerheten. Traditionellt anses
mängden enterotoxiner som bildas vara kopplat till antalet S. aureus. Ju
fler bakterier som finns i maten, desto mer enterotoxiner bildas. Våra
resultat med enterotoxin A, det toxin som oftast är inblandat i
matförgiftning orsakat av stafylokocker, visar att så inte alltid är fallet.
Toxinmängden som bildades per bakteriecell ökade då bakterierna var
stressade vid t. ex. svält eller lågt pH. När vi studerade effekten av
ättiksyra, ett konserveringsmedel som sänker pH inuti bakterien, på
genexpressionen av S. aureus enterotoxin A såg vi att toxinproduktionen
såväl som frisättningen av det virus som bär på genen för enterotoxin A
faktiskt ökade vid vissa ättiksyrakoncentrationer. Virus som infekterar
bakterier kallas för bakteriofager. Dessa fagers genetiska material kan
fogas samman med bakteriens DNA inuti bakterie-cellen. Då detta sker
blir fagen passiv och kallas för en profag. Genen för enterotoxin A sitter
på just en sådan profag i S. aureus. Under vissa omständigheter aktiveras
fagen igen. Det är detta vi tror sker då S. aureus utsätts för svält eller lågt
pH. Då fagen aktiveras ökar expressionen av de gener, bl. a. genen för
enterotoxin A, som fagen bär på. Det innebär att försök att begränsa
tillväxten av S. aureus genom att förhindra tillgången på näring eller
genom att tillsätta konserveringsmedel istället kan leda till högre
enterotoxinmängder vilket ökar hälsoriskerna för konsumenten.
Huvudparten av den virulensforskning som görs idag sker i en
kontrollerad odlingsmiljö på laboratorier, på en bakteriekultur av bara
en typ av bakterie. Resultaten som fås reflekterar inte alltid situationen i
mat, som är en mer komplicerad miljö med flera typer av bakterier
närvarande samtidigt som interagerar med varandra. Då vi studerade
tillväxt av S. aureus vid rumstemperatur under en vecka i fyra olika
köttprodukter: kokt skinka, rökt skinka, lufttorkad Serranoskinka och
salami, såg vi att köttprodukternas olika egenskaper, såsom surhet,
närvaro av andra mikroorganismer och salthalt hade stor påverkan på S.
aureus tillväxt och enterotoxinproduktion. Medan bakterien snabbt
ökade i antal på kokt och rökt skinka, så sågs ingen ökning i S. aureusantal
på Serranoskinkan förrän efter sju dagar, och på salamin överlevde
bakterien inte. När vi jämförde genexpressionen av S. aureus enterotoxin
A och D i kokt och rökt skinka med genuttrycket i en bakteriekultur
sågs stora skillnader mellan de konstgjorda betingelserna och skinkorna.
I både kokt och rökt skinka såg vi aktiv genexpression av båda
enterotoxintyperna under hela det veckolånga experimentet, medan
enterotoxinerna endast uttrycktes i kultur under några få timmar under
experimentets första dag. Detta visar på vikten av att utföra
virulensstudier i miljöer så naturtrogna som möjligt, för att kunna
applicera resultaten på verkliga matprodukter.
Ett viktigt steg för att minska probelm med Campylobacter är att
bättre förstå hur spridningen kan minsaks till livsmedel genom att
förhindra bakteriens närvaro i kyckling. För att göra det behövs kunskap
om hur bakteriens infektion av kycklingtarm går till. Då kyckling
infekterades med flera C. jejuni-stammar samtidigt, såg vi att det var
faktorer hos kycklingvärden, antagligen kycklingens immunförsvar, som
låg bakom C. jejunis infektionsmönster. Denna upptäckt visar att det är
inte bara beror på mikroorganismen, utan även på värden, om och hur
en infektion sker.
Kunskapen som erhållits i denna avhandling kan användas för att
förbättra förvaring och konservering av matvaror. Den nya
informationen om virulens är betydelsefull för att förebygga
matförgiftning genom att utveckla kvantitativa riskbedömningar. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/1591412
- author
- Wallin, Nina LU
- supervisor
- opponent
-
- Professor Jespersen, Lene, Faculty of Life Sciences, University of Copenhagen, Denmark
- organization
- publishing date
- 2010
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- environmental factors, phage-encoded virulence, in vivo, enterotoxin D, enterotoxin A, gene expression, Staphylococcus aureus, virulence
- pages
- 151 pages
- publisher
- Lund University
- defense location
- Lecture hall B, at the Center of Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
- defense date
- 2010-05-21 10:15:00
- ISBN
- 978-91-7422-241-8
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- 481fe2dd-8158-48fd-bf97-b67f470e508e (old id 1591412)
- date added to LUP
- 2016-04-04 10:53:21
- date last changed
- 2018-11-21 21:01:22
@phdthesis{481fe2dd-8158-48fd-bf97-b67f470e508e, abstract = {{The development of new, minimally processed food products<br/><br> challenges traditional concepts of food safety. How pathogenic bacteria<br/><br> behave in these new matrices is not known. To fill this knowledge gap<br/><br> and enable the production of food that is safe for the consumer, more<br/><br> information on virulence expression of pathogens in food matrices is<br/><br> required.<br/><br> In this thesis, the impact of environmental factors on foodborne<br/><br> intoxication due to Staphylococcus aureus enterotoxin A (SEA) and D<br/><br> (SED) expression and production is described. The study of<br/><br> Campylobacter jejuni infection of the chicken GI tract was used to<br/><br> compare the different mechanisms of virulence of the two foodborne<br/><br> pathogens.<br/><br> Studies on S. aureus demonstrated that under certain conditions,<br/><br> e.g. low pH and lack of nutrients, the SEA production per cell was<br/><br> increased. In the first part of these studies, when S. aureus was grown in<br/><br> the presence of acetic acid, under controlled laboratory conditions; the<br/><br> sea expression pattern was similar at all pH values studied, with the<br/><br> expression peaking in the transition from exponential to stationary<br/><br> growth phase, then falling in the stationary growth phase. The sea<br/><br> expression was upregulated over a range of acetic acid concentrations,<br/><br> and the increased expression could be linked to the activity of the seacarrying<br/><br> prophage, showing that the prophage participated in the<br/><br> regulation of virulence expression. A nucleotide sequence analysis of the<br/><br> virulence region of six S. aureus strains carrying the sea gene showed<br/><br> specific sea phage groups and two versions of the sea gene that may<br/><br> explain the observed interstrain variance in SEA expression and<br/><br> production levels.<br/><br> S. aureus growth and SEA and SED expression and production were<br/><br> then studied in vivo in four pork meat products. The intrinsic nature of<br/><br> the meat products greatly affected the growth and expression patterns of<br/><br> the organism. The number of S. aureus increased rapidly on the boiled<br/><br> and smoked ham products. However, on the Serrano ham the number<br/><br> of S. aureus cells did not increase until after seven days of incubation and<br/><br> the microorganism did not survive on the salami investigated. In boiled<br/><br> and smoked hams, active sea and sed expression was detected throughout<br/><br> the one-week experiment, while the enterotoxin expression in pure<br/><br> culture peaked after only a few hours of cultivation and then decreased<br/><br> to low levels during the rest of the study. The SEA and SED levels on<br/><br> boiled ham decreased unexpectedly after five days of incubation, maybe<br/><br> due to extracellular proteolytic activity of S. aureus or lactic acid<br/><br> bacteria.<br/><br> Finally, the in vivo virulence of a pathogen causing foodborne<br/><br> infection was studied by monitoring the dynamics of C. jejuni<br/><br> colonization of the alimentary tract in chicken. Seven C. jejuni strains<br/><br> simultaneously colonized two types of chicken, with different<br/><br> gastrointestinal floras. The colonization patterns were the same in both<br/><br> types of chicken, despite the different microbiota, showing that the<br/><br> background flora had no major effect on the colonization order. Instead,<br/><br> it was suggested that factors concerning the host, probably the host’s<br/><br> immune response, affected the C. jejuni population during infection.<br/><br> A greater understanding of how bacterial growth and virulence<br/><br> expression are related and regulated by environmental factors and food<br/><br> preservatives will provide safer food products and give rise to new<br/><br> approaches to disease prevention and control in the future through the<br/><br> improvement of quantitative risk assessments. The virulence of<br/><br> foodborne pathogens can be an important complement to the viable<br/><br> counts traditionally used in food safety assessments.}}, author = {{Wallin, Nina}}, isbn = {{978-91-7422-241-8}}, keywords = {{environmental factors; phage-encoded virulence; in vivo; enterotoxin D; enterotoxin A; gene expression; Staphylococcus aureus; virulence}}, language = {{eng}}, publisher = {{Lund University}}, school = {{Lund University}}, title = {{Foodborne Virulence: Staphylococcus aureus Enterotoxins A and D}}, year = {{2010}}, }