Isolation and characterization of wide host range vibriophages for therapeutic use in aquaculture

Abstract

The aquaculture industry is one of the fastest growing food-producing sectors in the world, but the industry is struggling with huge losses due to bacterial infections. Several species of Vibrio are ubiquitous to marine environments, and some are responsible for large disease outbreaks in fish and shellfish farms. Antibiotics have been used to fight bacterial infections, but due to emerging resistant bacteria, negative impacts on the natural microflora, as well as the increasing consumer demand for food raised without antibiotics, there is need for alternatives.

Phage therapy represents a promising alternative because of bacteriophages´ ability to infect and kill bacteria with high specificity. Phages have been known for a long time, but their use in therapy have suffered from poorly organised studies and improper diagnostics. One of the main challenges with using phage for therapeutic purposes is the need for very specific diagnoses in order to apply the right phage. Use of broad host range phages can facilitate easier diagnostics, making phage application more efficient. The aim of this study was to isolate and characterize vibriophages suitable for therapeutic use in aquaculture, with particular emphasis on wide host range phages. Mussels and water samples from the coast of Norway were used as search material, and a library of Vibrio spp. was established. The library was further used to screen environmental samples for vibriophages. Isolated phages and bacteria were characterized through whole genome sequencing and Sanger sequencing, respectively. Genome analyses and phage susceptibility patterns provided the identification of 10 different Vibrio species and 11 different vibriophages. The vibriophages covered all three families within the order Caudovirales, and at least one phage showed potential for being wide host ranged. Knowledge acquired during this work will be used to improve the methodology for isolating wide host range vibriophages.

Akvakulturnæringen er i dag en av de raskest voksende mat-næringene i verden, men næringen sliter med store tap grunnet bakterielle infeksjoner. Antibiotika har lenge vært brukt til å behandle slike infeksjoner, men på grunn av resistensutvikling, negativ innvirkning på den naturlige mikrofloraen og et større fokus blant forbrukere på mat produsert uten antibiotika, har det oppstått et behov for alternativer. Bakteriofager, virus som spesifikt infiserer og dreper bakterier, representerer et slikt alternativ. Bakteriofager (eller fager) har vært kjent lenge, men deres bruk til behandling av infeksjoner har vært preget av ufullstendig diagnostikk og dårlig organiserte forsøk. En av hovedutfordringene med fagterapien er det smale vertspekteret til fager, noe som krever spesifikk diagnostisering slik at riktige bakteriofager blir valgt i behandlingen. Bruk av fager med et bredere vertsspekter vil stille enklere krav til diagnostiseringen, samt kunne effektivisere behandlingen av koinfeksjoner forårsaket av nært beslektede bakteriearter. Målet med denne studien var å isolere og karakterisere bakteriofager til å bekjempe Vibrio-infeksjoner i akvakulturnæringen, med et spesielt fokus på bredspektrede bakteriofager. Blåskjell og vannprøver fra norskekysten ble brukt som prøvemateriale for å lete etter Vibrio og vibriofager. Et bibliotek av Vibrio-isolater ble opprettet og brukt til å søke etter vibriofager i det samme prøvematerialet. Isolerte bakteriofager og bakterier ble karakterisert via helgenomsekvensering og Sanger sekvensering. Genomanalyser og kartlegging av bakterienes bakteriofagsensitivitet resulterte i identifikasjon av 10 ulike Vibrio-arter og 11 ulike vibriofager. Vibriofagene representerte tilsammen alle de tre familiene innen bakteriofagordenen Caudovirales, hvorav minst en av fagene viste potensial for å være bredspektret. Kunnskap og erfaringer tilegnet gjennom denne studien vil bli brukt til å forbedre metoder for å isolere bredspektrede vibriofager..