Resumo:
Antecedentes: As doenças transmitidas por alimentos são um problema de saúde pública
global, 1 de cada 10 pessoas adoecendo após ingerir alimentos contaminados todos os anos.
No Brasil, Salmonella enterica sorovar Enteritidis é uma ameaça significativa na saúde
publica. Bacteriófagos (fagos; vírus de bactérias), têm potencial para serem usados como
métodos antimicrobianos naturais para controlar patógenos bacterianos como Salmonella
spp.
Objetivos: A tese tem cinco capítulos, os objetivos de cada capítulo foram: 1) Desenvolver
uma revisão narrativa sobre as aplicações da terapia fágica para várias doenças infecciosas,
farmacologia dos fagos, respostas imunológicas aos fagos, preocupações legais e os
potenciais benefícios e desvantagens deste novo tratamento. 2) Desenvolver uma revisão
sistemática e meta-análise que avaliou a eficiência de fagos patenteados como controle
biológico de patógenos de origem alimentar e determinou as características físico-químicas
do efeito antimicrobiano. 3) Determinar a atividade antimicrobiana de dezessete extratos
vegetais, óleos essenciais comerciais, carvacrol e timol contra Salmonella ATCC 14028. 4)
Descrever a caracterização fenotípica e genômica do isolado da cepa Salmonella SE3 do
Rio Subaé, Santo Amaro, BA-Brasil. 5) Descrever a caracterização fenotípica e genômica
do fago SF1, isolado do Rio Subaé, Santo Amaro, BA-Brasil. Determinamos a gama de
hospedeiros do fago SF1 contra cepas de Salmonella e outras espécies de bactérias.
Resultados: A revisão sistemática foi desenvolvida utilizando bases de artigos científicos e
de patentes com critérios de inclusão e exclusão aplicados por processos automáticos e
manuais. Uma meta-análise de efeitos aleatórios foi realizada e revelou: (i) efeito
antimicrobiano significativo de fagos de Listeria em maçã, suco de maçã, pêra e suco de
pêra (ii) efeito antimicrobiano significativo de fagos de Salmonella em ovos, maçã e frango
pronto para cozinhar, (iii) nenhuma heterogeneidade foi identificada em qualquer meta-
análise, (iv) viés de publicação foi detectado em fagos de Listeria, mas não em fagos de
Salmonella. (v) Os fagos ListShield e Felix01 apresentaram o melhor resultado para o
controle biológico de Listeria e Salmonella, respectivamente, (vi) concentração de fago e
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bactéria, tempo e alimento tiveram efeito significativo no controle biológico de Listeria,
(vii) temperatura e tempo tiveram efeito significativo sobre a atividade antimicrobiana de
fagos de Salmonella.
Além disso, a atividade antibacteriana de 17 plantas da região semiárida do nordeste
do Brasil, os extratos foram macerados usando hexano, acetato de etila e etanol para
produzir 51 extratos. Foram avaliados seis óleos essenciais produzidos comercialmente e os
óleos essenciais de Croton heliotropiifolius (obtido por hidrodestilação), timol e carvacrol
contra Salmonella por meio de abordagens in vitro. O óleo essencial de botão de cravo e o
timol mostraram atividade contra Salmonella na concentração de 1mg/ml.
Salmonella SE3 foi isolada do solo do Rio Subaé em Santo Amaro, Brasil, região
contaminada com metais pesados e resíduos orgânicos. A montagem de sequenciamento
híbrido de novo de Salmonella SE3 empregando o sequenciamento Illumina HiSeq e o
sequenciamento de genoma inteiro ONT MinION rendeu 10 contigs e mostrou 99,98% de
identidade com Salmonella enterica subsp. enterica sorovar Enteritidis OLF-SE2-98984-6.
Doze ilhas patogênicas de Salmonella, múltiplos genes de virulência, múltiplos genes de
resistência antimicrobiana, sete sistemas de defesa, sete profagos e um gene de resistência a
metais pesados (arsC) foram identificados. A análise do pangenoma do clado S. enterica,
incluindo SE3, revelou um pangenoma aberto, com um genoma central de 2.137 genes. O
genoma acessório compreendeu 3.390 shared genes e 69.352 singletons genes.
Além disso, o fago SF1 foi isolado e caracterizado, o genoma dele foi sequenciado nas
plataformas ONT MinION e Illumina Hiseq, três montagens genômicas a partir das
sequências do MinION, Hiseq e MinION + Hiseq (montagem híbrido) foi obtidas, os
genomas foram anotados e analisados, e seus genomas foram comparados com o fago
Salmonella de referência. A montagem do MinION apresentou os melhores resultados.
Além disso, não foram identificados genes de ciclo lisogênico, resistência antimicrobiana e
virulência em nosso trabalho. O fago SF1 mostrou atividade contra vinte e sete cepas:
Salmonella var. Enteritidis, Salmonella var. Typhimurium, Salmonella var. Minnesota,
Shigella flexneri, Escherichia coli, Escherichia cloacae, Escherichia fergusonii,
Citrobacter europeus, Citrobacter freundii, Corynebacterium pseudotuberculosis,
Corynebacterium striatum, Glutamicibacter creatinolyticus, Klebsiella oxytoca, Listeria
monocytogenes e Rodococos iaqui.
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Conclusões: Em resumo, avaliamos a eficiência de fagos previamente patenteados como
controle biológico de frutas e hortaliças e carnes. A maioria dos extratos de produtos
naturais testados neste estudo não apresentou atividade antimicrobiana significativa contra
Salmonella enterica subsp. Typhimurium ATCC 14028. No entanto, o óleo essencial de
botão de cravo e o timol mostraram atividade contra Salmonella na concentração de
1mg/ml. Por outro lado, mostramos a eficácia de uma abordagem de montagem híbrida
(HiSeq e MinION) para análise do genoma de Salmonella SE3. A montagem do genoma
híbrido permitiu a identificação de genes de virulência e resistência, elementos genéticos
móveis e análise de pangenoma. No entanto, a plataforma MinION apresentou a melhor
montagem para o fago SF1. Dois receptores foram identificados: receptor de proteína da
cauda. A gama de hospedeiros do fago SF1 mostrou atividade contra 27 cepas. O fago SF1
mostrou ser um fago polivalente.
Abstract:
Background: Foodborne diseases are a global public health issue with 1 in 10 people
falling ill after eating contaminated food every year. In Brazil, Salmonella enterica serovar
Enteritidis is a significant health threat. Bacteriophages (phages; bacteria viruses), have
potential to be used as natural antimicrobial methods to control bacterial pathogens such as
Salmonella spp.
Objetives: The thesis has five chapters, the aims of every chapter were: 1) Develop a
narrative review about the applications of phage therapy for various infectious diseases,
phage pharmacology, immunological responses to phages, legal concerns, and the potential
benefits and disadvantages of this novel treatment. 2) Develop a systematic review and
meta-analysis that evaluated the efficiency of phages patented as a biological control for
foodborne pathogens and determined the physical-chemical characteristics of the
antimicrobial effect. 3) Determine the antimicrobial activity of seventeen plant extracts,
commercial essential oils, carvacrol and thymol against Salmonella ATCC 14028. 4)
Describe the fenotipic and genomic characterization of Salmonella SE3 strain isolate from
Subaé River, Santo Amaro, BA-Brazil. 5) Describe the fenotipic and genomic
characterization of SF1 phage, isolate from Subaé River, Santo Amaro, BA-Brazil.
Determine the host range of SF1 phage against Salmonella strains and other species of
bacteria.
Results: The systematic review was developed using scientific article and patent databases
with inclusion and exclusion criteria applied by automatic and manual processes. A
random-effects meta-analysis was carried out and revealed: (i) significant antimicrobial
effect of Listeria phages in apple, apple juice, pear, and pear juice (ii) significant
antimicrobial effect of Salmonella phages in eggs, apple and ready to cook chicken, (iii) no
heterogeneity was identified in either meta-analysis, (iv) publication bias was detected in
Listeria phages but not in Salmonella phages. (v) ListShield and Felix01 phages showed
the best result for Listeria and Salmonella biological control, respectively, (vi)
concentration of phage and bacteria, time and food had significant effect in the biological
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control of Listeria, (vii) temperature and time had a significant effect on the antimicrobial
activity of Salmonella phages.
Moreover, the antibacterial activity of Seventeen plants extracts from the semi-arid region
of the northeast Brazil were macerated using hexane, ethyl acetate and ethanol to produce
51 extracts. Six commercially produced essential oils and the essential oils of Croton
heliotropiifolius (obtained by hydrodistillation), thymol and carvacrol against Salmonella
using in vitro approaches were evaluated. Clove bud essential oil and thymol showed
activity against Salmonella at a concentration of 1mg/ml.
Salmonella SE3 was isolated from soil at the Subaé River in Santo Amaro, Brazil, a region
contaminated with heavy metals and organic waste. De novo hybrid sequencing assembly
of Salmonella SE3 from Illumina HiSeq and ONT MinION whole genome sequencing
yielded 10 contigs and showed 99.98% of identity with Salmonella enterica subsp. enterica
serovar Enteritidis OLF-SE2-98984-6. Twelve Salmonella pathogenic islands, multiple
virulence genes, multiple antimicrobial gene resistance genes, seven defense systems, seven
prophages and a heavy metal resistance gene (arsC) were identified. Pangenome analysis of
the S. enterica clade, including SE3, revealed an open pangenome, with a core genome of
2,137 genes. The accessory genome comprised 3,390 shell genes and 69,352 cloud genes.
Furthermore, SF1 phage was isolated and characterized, Furthermore, phage genome were
sequenced by ONT MiION and Illumina Hiseq sequencing, three genomes assemblies, no
Hybrid (MinION and Hiseq) and hybrid (MinION + Hiseq), was tested, the genomes were
annotated and analyzed, and their genomes were compared with the reference Salmonella
phage. MiION assembly showed the best results. Besides, no lysogenic cycle, antimicrobial
resistance and virulence genes were identified in our work. SF1 phage showed activity
against twenty seven strains: Salmonella var. Enteritidis, Salmonella var. Typhimurium,
Salmonella var. Minnesota, Shigella flexneri, Escherichia coli, Escherichia cloacae,
Escherichia fergusonii, Citrobacter europeus, Citrobacter freundii, Corynebacterium
pseudotuberculosis, Corynebacterium striatum, Glutamicibacter creatinolíticus, Klebsiella
oxytoca, Listeria monocytogenes and Rodococos iaqui.
Conclusions: In summary, we evaluated the efficiency of phages previously patented as a
biological control for fruits and vegetables, and meat. Most of the natural products extracts
tested in this study did not show significant antimicrobial activity against Salmonella
6.
enterica subsp. Typhimurium ATCC 14028. However, Clove bud essential oil and thymol
showed activity against Salmonella at a concentration of 1mg/ml. On the other hand, we
showed the effectiveness of a hybrid sequence assembly approach for environmental
Salmonella genome analysis using HiSeq and MinION data. The hybrid genome assembly
enabled identification of virulence and resistance genes, mobile genetic elements and
pangenome analysis. No obstant, MinION platform showed the best assembly for SF1
phage. The host range of SF1 phage showed activity against twenty seven strains. SF1
phage showed to be a polyvalent phage. Two receptors were identified: receptor b and tail
tube protein.