Phages et aliments : lutter contre les bactéries de la ferme à la fourchette

Les phages sont utilisés pour maîtriser les pathogènes bactériens à chaque étape de la production alimentaire, de la promotion de la santé du bétail et des cultures à la destruction des pathogènes sur les aliments prêts à consommer. Quels sont les avantages et les défis associés au déploiement des phages dans l'industrie alimentaire ?

«Phages et aliments : lutter contre les bactéries de la ferme à la fourchette», source ASM News du 1er juin 2023.

Qu'elles tuent du bétail et des cultures ou qu'elles contaminent des aliments prêts à consommer, les bactéries causent de gros problèmes à l'industrie alimentaire. Pour résoudre ces problèmes, des scientifiques pensent petit. De nombreuses études ont montré que les bactériophages (c'est-à-dire les phages ou les virus qui infectent les bactéries) peuvent anéantir les bactéries problématiques dans tout le système alimentaire, du contrôle des agents pathogènes des plantes à la destruction des bactéries sur les produits, la viande et d'autres produits alimentaires. Alors que divers produits commerciaux à base de phages sont sur le marché, l'exploration continue du potentiel bactéricide des phages dans la production alimentaire et l'optimisation de leur utilisation seront essentielles pour l'expansion des applications.

Les phages peuvent être utilisés pour contrôler les pathogènes bactériens du début à la fin du processus de production alimentaire. Source : Enderson L. et Coffrey A./Current Opinion in Food Science, 2020. Image sous licence CC BY 4.0.

Que sont les phages et comment sont-ils utilisés dans l'industrie alimentaire ?

Partout où il y a des bactéries, il y a des phages, c'est-à-dire que les phages sont à peu près partout. En fait, il y a environ 100 nonillions (10³¹) de phages sur la planète. Cette population gargantuesque est incroyablement diversifiée, car chaque phage individuel possède une gamme définie d'espèces et de souches bactériennes qu'il peut infecter. Néanmoins, tous les phages ont une chose en commun : ils attaquent les bactéries, et uniquement les bactéries. Les humains, les plantes, les animaux et autres microbes ne sont pas ciblés.

En tant que tels, les phages peuvent être utilisés pour réduire les pathogènes bactériens dans tous les secteurs de la société. Par exemple, la phagothérapie implique l'isolement et le déploiement de phages qui tuent spécifiquement les bactéries provoquant une infection. Dans l'industrie alimentaire, les phages ont été explorés et appliqués pour gérer les bactéries du début à la fin des procédés de transformation des aliments.

À la ferme et au champ : applications de phages avant la récolte

La perte d'animaux et de plantes à cause de maladies bactériennes avant abattage ou au stade de la pré-récolte a des coûts économiques importants (des milliards de dollars) et menace la stabilité du système alimentaire. Dans l'élevage, les antibiotiques sont depuis longtemps la méthode de choix pour réduire les infections et promouvoir la santé animale, bien que cette pratique ait exacerbé la propagation de la résistance aux antimicrobiens. Les phages peuvent offrir une solution. En effet, des chercheurs ont découvert que 3 phages isolés des eaux usées d'une ferme laitière étaient tout aussi efficaces que les antibiotiques pour soulager les symptômes de la mammite (une infection du pis entraînant une perte annuelle estimée à 2 milliards de dollars aux États-Unis) causée par Escherichia coli résistant aux antibiotiques chez les vaches. Des résultats positifs similaires ont été démontrés pour le contrôle de divers agents pathogènes, y compris ceux qui pourraient rendre des personnes malades, comme Salmonella, E. coli O157:H7 et Campylobacter jejuni, entre autres, et chez divers animaux (par exemple, volaille, poisson, etc.).

Les phages peuvent également être utilisés pour minimiser la perte de cultures due aux maladies bactériennes. L'application de phages sélectionnés sur les graines ou les feuilles de cultures peut réduire la charge pathogène et diminuer la gravité et l'incidence de la maladie pendant la phase de croissance. Il existe déjà des produits commerciaux  à base de phages enregistrés auprès de l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) conçus pour tuer les agents pathogènes qui infectent les aliments comme les tomates, les agrumes, les pommes, les poires et plus encore.

Phages pour lutter contre les agents pathogènes d'origine alimentaire

En plus de prévenir et de traiter les maladies animales et végétales, les phages sont utiles pour détecter et entraver la croissance des agents pathogènes d'origine alimentaire pendant et après la transformation des aliments. Par exemple, des scientifiques ont conçu des phages rapporteurs qui ont permis la détection basée sur la bioluminescence de l'agent pathogène d'origine alimentaire, Listeria monocytogenes, dans le lait, la charcuterie et la laitue contaminés. Les aliments peuvent également être trempés ou pulvérisés avec des solutions de phages conçues pour tuer les agents pathogènes qui les contaminent couramment. Cette application du biocontrôle par des phages (c'est-à-dire l'utilisation de phages comme agents antimicrobiens pour réduire les concentrations d'agents pathogènes dans un environnement traité) dans l'industrie alimentaire a connu le plus grand succès commercial à ce jour, avec divers produits sur le marché conçus pour combattre Salmonella, E. coli, L. monocytogenes et d'autres bactéries. Les phages peuvent également être appliqués pour stériliser les surfaces dans les installations de transformation des aliments, telles que les tapis de cnvoyage et les supports de transport des aliments, qui peuvent servir de vecteurs de contamination bactérienne.

Quels sont les avantages du biocontrôle par les phages ?

De nombreuses caractéristiques des phages les rendent utiles à des fins de lutte biologique. Thomas Denes, professeur de microbiologie alimentaire moléculaire à l'Université du Tennessee qui étudie les applications basées sur les phages pour la sécurité des aliments, a souligné la gamme d'hôtes définie des phages comme un avantage clé. Il a noté que les phages peuvent être dirigés vers des agents pathogènes tout en laissant intactes d'autres bactéries associées à un aliment (par exemple, des bactéries bénéfiques dans des aliments comme le yogourt, le kimchi et le fromage).

De plus, les phages ne sont pas limités par la concentration du eur application, ils se répliquent. «Dans l'environnement de la transformation des aliments, il existe souvent des niches ou des structures complexes qui rendent difficile l’accès à un antimicrobien», a dit Denes. «Ainsi, avoir un antimicrobien qui se réplique lorsqu'il entre en contact avec son hôte signifie que le traitement sera amplifié là où cela est nécessaire, alors que les désinfectants conventionnels peuvent avoir du mal à atteindre les zones où les agents pathogènes survivent ou se reproduisent réellement», comme les coins et les recoins de l'équipement de transformation des aliments (ou l’aliment lui-même).

Amit Vikram, chercheur principal chez Intralytix, Inc., une société de biotechnologie qui fabrique des produits à base de phages pour éliminer les agents pathogènes d'origine alimentaire, a souligné la sécurité sanitaire des phages comme un autre avantage. Par rapport aux produits chimiques dangereux qui peuvent nuire aux salariés et doivent être éliminés correctement, les phages ne présentent aucun risque pour les personnes qui travaillent avec ou qui consomment les aliments. De plus, «[les phages] ont une grande efficacité sans affecter les aliments, la texture, les propriétés et les goûts», a expliqué Vikram, ce qui les rend même attrayants pour les producteurs d'aliments soucieux d'éliminer les contaminants microbiens tout en maintenant l'intégrité et l'essence d'un aliment.

Quels sont les défis associés au biocontrôle par des phages ?

Pourtant, les phages ne sont pas parfaits. D'une part, la gamme d'hôtes définie qui rend les phages formidables peut également être une chute. «Dans des contextes de sécurité des aliments, un producteur alimentaire achèterait un produit à base de phages pour gérer le risque d'un agent pathogène cible», a dit Denes. Cependant, les phages contenus dans ce produit peuvent ne pas être efficaces contre toutes les souches d'une bactérie qui pourraient être présentes, dont il pourrait y en avoir plusieurs. Vikram a noté que l'utilisation de mélanges de phages avec différentes gammes d'hôtes peut être une façon de faire face à cette limitation, bien que de tels mélanges puissent toujours ne pas couvrir toutes les souches d'un agent pathogène qui pourraient constituer une menace.

Les phages ne se déplacent pas non plus à la recherche de leurs hôtes. Pour cette raison, il est essentiel de recouvrir adéquatement les aliments de phages pour s'assurer qu'ils rencontrent leurs agents pathogènes cibles. C'est plus facile à dire qu'à faire. «Différents aliments ont différents types de surfaces», a expliqué Vikram. «Les produits de volaille crus ont une surface plus rugueuse par rapport à une saucisse, qui a une surface plus lisse. Les légumes verts à feuilles ont une surface vraiment grande, très rugueuse et très ondulée», ce qui rend l'application du biocontrôle par des phages «extrêmement difficile», et c’est quelque chose qui nécessite une optimisation supplémentaire.

La résistance bactérienne aux phages peut également poser un problème. Denes a déclaré que le risque de résistance peut dépendre de la manière dont les phages sont utilisés : sont-ils appliqués aux aliments prêts à consommer à la fin de la production, ou les aliments sont-ils traités au début de la transformation ? Dans ce dernier cas, il peut y avoir plus de possibilités pour les phages de sélectionner la résistance. Dans cet esprit, le laboratoire de Denes a découvert que des expériences de co-évolution in vitro avec des phages et L. monocytogenes permettaient d'isoler des phages développés en laboratoire qui pourraient infecter des souches résistantes de l'agent pathogène. Les résultats suggèrent que de telles expériences pourraient aider à améliorer la gamme d'hôtes et l'efficacité du biocontrôle par des phages. L'utilisation de mélanges de phages avec différentes stratégies d'infection est également utile dans ce contexte, car ils peuvent réduire la fréquence d'émergence de mutants bactériens résistants aux phages. Dans le cas où un mutant résistant émergerait, Vikram a souligné qu'il est possible d'isoler des phages ayant une activité contre ce mutant à partir de sources naturelles.

Les bactéries peuvent résister aux phages de plusieurs manières, notamment en empêchant la liaison des phages et en interférant avec l'assemblage des particules de phage. Source : Seed D.K./PLOS Pathogens, 2015. Image sous licence CC BY 4.0.

Quelles sont les prochaines étapes?

Jusqu'à présent, les phages sont principalement utilisés pour des applications après-récolte, en particulier pour maîtriser la croissance de Salmonella dans la viande de volaille, bien que leur potentiel dans d'autres facettes du système alimentaire (par exemple, les cultures, le bétail, les produits) soit de plus en plus apprécié. Vikram a souligné que l'éducation sera essentielle pour élargir l'utilisation des phages dans l'industrie alimentaire. «Il y a encore beaucoup d'entreprises qui ne comprennent pas vraiment la technologie des phages en elle-même», a-t-il dit, décrivant le nombre d'entreprises confondant les phages avec des produits chimiques ou craignant de mettre des virus sur les aliments (rappelez-vous, ce sont des virus qui infectent uniquement bactéries). Vikram pense également que l'éducation des agences de réglementation, y compris la FDA des États-Unis, sur le fonctionnement des phages peut aider à faciliter une approbation plus rationalisée des produits à base de phages.

Pour Denes, l'avenir passe par la recherche. «Je pense que nous sommes maintenant à un stade dans le domaine de la recherche appliquée sur les phages où nous identifions des voies pour surmonter certains des défis [associés au biocontrôle par des phages], tels que l'émergence de la résistance aux phages, la diversité des conditions environnementales dont nous avons besoin. pour fonctionner et la diversité des agents pathogènes que nous devons pouvoir cibler», a-t-il dit. «Je pense que nous y arrivons en comprenant les mécanismes des interactions [phage-hôte] et en identifiant des outils, tels que évolution [ou] ingénierie du phage.

Cela étant dit, les phages ne sont pas la solution ultime pour maîtriser les pathogènes bactériens dans le système alimentaire. Ils ne sont qu'un outil de plus qui, lorsqu'il est associé à la manipulation, au stockage et à d'autres méthodes de maîtrise des aliments, aide à combattre les agents pathogènes et à assurer la sécurité des aliments, de la ferme à la fourchette.