Prevalence and cold shock response of Arcobacter spp.

Abstract

Arcobacter (A.) spp. was regarded as an emerging pathogen associated with enteritis, diarrhea and occasionally bacteremia in human. It has been widely isolated from animals, foods and water environment. In the recent ten years, more than half of the newly described species of this genus were recovered from aquatic environments and water-borne animals. Therefore, the occurrence of Arcobacter in seafood has raised increasing interest for food safety concern. Consuming undercooked or preparing raw seafood was regarded as a potential risk of human transmission. Despite the frequent reports of this genus from food, the knowledge of its pathogenicity and the cold stress response is still scarce. This work aimed to evaluate the prevalence of Arcobacter spp. in retail seafood in Berlin, and to characterize all isolates by the genetic diversity and the distribution of 10 putative virulence genes. In addition, the growth of A. butzleri isolates from different origins was tested at chilling temperature. The presence and transcriptional expression profile of 13 cold-related genes homologues in E. coli were preliminarily reported in A. butzleri. Chapter 1 introduces a comprehensive literature review on the taxonomy, occurrence, current isolation and typing methods of Arcobacter spp. The information about virulence determinants, cold adaptation of A. butzleri as well as cold-related genes in E. coli is also provided. In the first study (Chapter 2), the overall prevalence of Arcobacter in retail seafood was 17.6%. For each food matrix, cephalopod was found to have the highest prevalence (27.4%) and species diversity (6 species) followed by bivalves (17% and 5 species) and shrimp (8.5% and 4 species). High genetic heterogeneity was observed both at inter- and intra-species level. A. butzleri was found to carry most putative virulence genes and the gene ciaB was 100% detected in all Arcobacter isolates. No correlation between the ERIC-PCR pattern/virulence gene distribution and the source of the isolates can be deduced. The cold adaptation of A. butzleri was further investigated in Chapter 3. The growth of eight A. butzleri isolates from human, mussel and chicken was tested at 8°C under aerobic condition to mimic natural environment for food storage at chilling temperatures. One A. butzleri strain (H2) showed growing capability at this temperature while most of others (6/8) were not culturable after 28 days under these culture conditions. No correlation between the growth and / or survival behavior and the source of A. butzleri isolates was observed, and the growth of A. butzleri at 8°C under aerobic circumstance in our study seemed to be strain-dependent. The transcriptional expression pattern of 13 cold-related genes in E. coli was also investigated in three A. butzleri strains with different growth mode after a temperature downshift to 8°C by RT-qPCR. Several similarities in the cold-related genes expression pattern of A. butzleri with E. coli were determined. For elucidating whether similar functions of these genes in A. butzleri at cold were utilized, further investigation was needed. To summarize, our research provide more information to estimate whether consumption/handling of seafood have a potential risk for human health and help to better understanding the survival strategy of A. butzleri encountering to cold stress.

Arcobacter (A.) spp. gilt als ein neu auftretender Erreger, der mit Enteritis, Durchfall und gelegentlich Bakteriämie beim Menschen in Verbindung gebracht wird. Arcobacter wurde häufig aus Tieren, Lebensmitteln und Gewässern isoliert. In den letzten zehn Jahren wurde mehr als die Hälfte der neu beschriebenen Arten dieser Gattung aus der aquatischen Umwelt und von im Wasser lebenden Tieren isoliert. Daher hat das Vorkommen von Arcobacter in Meeresfrüchten ein wachsendes Interesse in Fragen der Lebensmittelsicherheit geweckt. Der Verzehr von zu wenig gekochten oder roh zubereiteten Meeresfrüchten wurde als potentielles Risiko einer Übertragung auf den Menschen angesehen. Trotz der häufigen Berichte über den Nachweis von Arcobacter in Lebensmitteln, sind die Kenntnisse über ihre pathogenes Potential und die Kältestress-Reaktion noch nicht ausreichend geklärt. Ziel dieser Arbeit war es, die Prävalenz von Arcobacter spp. in Meeresfrüchten aus dem Berliner Einzelhandel zu ermitteln und alle Isolate anhand des ERIC-PCR-Musters und des Vorkommens von 10 mutmaßlichen Virulenzgenen zu charakterisieren. Darüber hinaus wurde das Wachstum von A. butzleri-Isolaten unterschiedlicher Herkunft bei Kühltemperatur untersucht. Das Vorhandensein von 13 kälteassoziierten Genen, die Homologien zu E. coli Genen aufweisen und deren transkriptionelles Expressionsprofil nach einem Kälteschock, wurden erstmal für A. butzleri beschrieben. Kapitel 1 führt in eine umfassende Literaturübersicht zur Taxonomie, zum Vorkommen sowie zu aktuellen Nachweis- und Typisierungsmethoden von Arcobacter spp. ein. Weiterhin werden Informationen zu putativen Virulenzfaktoren von A. butzleri, der Kälteadaptation von A. butzleri sowie zu Kältestress assoziierten Genen in E. coli gegeben. In der ersten Studie (Kapitel 2) konnte gezeigt werden, dass die Gesamtprävalenz von Arcobacter spp. in Meeresfrüchten aus dem Einzelhandel bei 17,6% lag. Die höchste Arcobacter-Prävalenz (27,4%) und Speziesdiversiät (6 Spezies) wurde in Cephalopoden, gefolgt von Muscheln (17% und 5 Arten) und Garnelen (8,5% und 4 Arten) nachgewiesen. Es wurde eine hohe genetische Heterogenität sowohl zwischen als auch innerhalb der Spezies beobachtet. Die zehn putativen Virulenzgene konnten deutlich häufiger in A. butzleri isolaten detektiert werden als in den anderen Arcobacter Spezies. Nur das Gen ciaB wurde in allen Arcobacter-Isolaten, unabhängig von der Spezies, zu 100% nachgewiesen. Es lässt sich keine Korrelation zwischen dem ERIC-PCR-Muster/Virulenzgenverteilung und der Quelle der Isolate ableiten. Die Kälteadaptation von A. butzleri wird in Kapitel 3 dargestellt. Das Wachstum von acht A. butzleri-Isolaten aus Mensch, Muschel und Huhn wurde bei 8°C unter aeroben Bedingungen getestet, um die natürliche Umgebung während der Lagerung von Lebensmitteln bei Kühltemperaturen zu imitieren. Einer dieser A. butzleri Stämme (H2) zeigte bei dieser Temperatur noch Wachstumsfähigkeiten, während die meisten anderen (6/8) nach 28 Tagen nicht mehr kulturell nachweisbar waren. Es wurde keine Korrelation zwischen dem Wachstums- bzw. Überlebensverhalten und der Quelle von A. butzleri-Isolaten beobachtet, und das Wachstum von A. butzleri bei 8°C unter aeroben Bedingungen schien in unserer Studie stammabhängig zu sein. Das Vorhandensein und das transkriptionelle Expressionsmuster von 13 kälteverwandten Genen in E. coli wurde auch bei drei A. butzleri mit unterschiedlichem Wachstumsmodus (C2, H2 und H1) nach einer Temperaturabsenkung auf 8°C mittels RT-qPCR untersucht. Es wurden mehrere Übereinstimmungen in der Expression der kälteassoziierten Gene zwischen A. butzleri und E. coli festgestellt. Zur Klärung der Frage, obdieser Gene in A. butzleri ähnliche Funktionen in der Kältestressantwort haben, wären weitere Untersuchungen erforderlich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studien weitere Informationen liefern, um das potentielle Risiko durch den Verzehr bzw. die Handhabung von Meeresfrüchte für die menschliche Gesundheit abzuschätzen und zu einem besseren Verständnis der Überlebensstrategie von A. butzleri bei Kältestress beitragen.