Implications of bacterial viruses on pathogenic bacteria : from natural microbial communities to therapeutic applications

Bacterial viruses (i.e. phages) are ubiquitous intracellular parasites of bacteria, that along with protist grazers account for majority of bacterial mortality in nature. Phages impose strong selection for bacterial phage-resistance, which is often coupled with fitness costs on bacterial traits such as growth ability, virulence or motility. Traditionally phage-host interactions have been studied with two species systems in the laboratory, neglecting the complex web of interactions present in natural communities. The ability of phages to selectively kill bacteria has ignited an interest on phages as alternative antibacterials. However, in order to develop phage therapy, understanding of phage-host interactions in the eco-evolutionary context is essential. In this thesis I studied the implications of lytic phages on opportunistic pathogenic bacteria, as opportunists often have the ability reproduce and reside in outside-host environments, where they are predisposed to a variety of selection pressures. The role of phages in top-down control of bacterial biomass and the evolution of bacterial phage-resistance were studied in the presence of protist predators with differing feeding modes, in low-resource systems mimicking natural pond environment. Hypothesis of coincidental evolution suggests that virulence is a by-product of selection for traits that maximize bacterial fitness in environmental reservoirs. Yet, disease outbreaks by opportunists are relatively rare, suggesting that something constrains the selection for virulence. To assess the role of lytic phages on the evolution of virulence, bacteria were cultured in low-resource environment, accompanied with changes in temperature regime or changes in composition of the community of interacting bacterial enemy species, and the virulence of bacteria was measured in vivo. To study whether the potential phage-resistant bacteria surviving phage therapy would be coupled with lowered virulence, due to costs associated with phage-resistance, a clinical bacterial isolate was exposed to phage cocktails and the virulence of the phage-resistant bacteria was measured in vivo. given the strong selection for phage- resistance, the prospects of phage therapy depend a great deal on whether new phages infecting pathogenic bacteria can be readily isolated from environment. To address this, an attempt was made to isolate phages against clinical bacterial isolates harboring resistance genes to multiple antibiotics. A single lytic phage was shown to be a non- efficient top-down regulator of bacterial biomass. Rapidly emerging phage-resistant bacteria took over the bacterial populations after initial lysis by phages and protist grazers accounted for most of the long-term negative trophic effects on bacterial biomass. The presence of protist predators selected for bacteria that were less susceptible to infection by lytic phages, which suggests an overlap in the bacterial defense against a parasite and predatory protists. In general, the presence of lytic phages selected for lowered virulence in bacteria. High temperature selected for more virulent and more motile bacteria, but this was constrained by the presence of a lytic phage. In the multispecies communities the presence of all bacterial enemies led to decreased virulence in vivo. Altogether, these results contrast the hypothesis of coincidental evolution, and suggest that the presence of phages in natural reservoirs constrains the evolution of virulence, most likely through fitness costs associated with phage-resistance. Exposure to phage cocktails was also shown to be associated with decreased bacterial virulence in the phage-resistant bacteria. However, exposure to some individual phages resulted in more virulent bacteria, suggesting that the outcome of therapy could depend on the identity of the phage cocktail. Finally, a phage cocktail lysing a wide range of clinical strains was isolated from sewage. This, along with geographical patterns of phage infections suggest that new phages are available in environmental reservoirs for therapy, and the emergence of phage-resistance should not hinder the prospects of phage therapy in the global perspective.Bakteerivirukset (faagit) ovat bakteerien solunsisäisiä loisia, jotka yhdessä alkueliösaalistajien kanssa aiheuttavat suurimman osan bakteerien kuolleisuudesta luonnossa. Faagit luovat voimakkaan valintapaineen faagivastustuskyvylle ja vastustuskyvystä seuraa usein kustannus esimerkiksi bakteerin kasvu-, taudinaiheuttamis- tai liikkumiskyvylle. Perinteisesti faagin ja isännän välisiä vuorovaikutuksia on tutkittu kahden lajin kokeissa laboratoriossa, mutta lähestymistapa jättää huomiotta luonnollisissa yhteisöissä vallitsevien vuorovaikutusten kirjon. Koska faagit tappavat kohdennetusti tiettyjä bakteereita, on ehdotettu, että faageja voitaisiin käyttää antibiootteina. Faagiterapian kehittäminen vaatii kuitenkin faagi-isäntä vuorovaikutusten tuntemusta niin ekologisesta kuin evolutiivisestakin näkökulmasta. Tässä väitöskirjassa olen tutkinut lyyttisten bakteerivirusten vaikutuksia opportunistisiin taudinaiheuttajabakteereihin. Osa opportunistisista bakteereista kykenee elämään ja lisääntymään isäntänsä ulkopuolisissa ympäristöissä, missä ne altistuvat lukuisille erilaisille valintapaineille. Tutkin faagien merkitystä bakteeribiomassan vähentäjinä, sekä bakteerien faagivastustuskyvyn evoluutiota matalaravinteisissa lampea muistuttavassa ympäristössä, joissa oli faagien lisäksi läsnä ravinnonhankintatavoiltaan toisistaan poikkeavia alkueliöitä. Sattumanvaraisen evoluution hypoteesin (coincidental evolution hypothesis) mukaan taudinaiheuttamiskyky on seurausta sellaisiin elinkiertopiirteisiin kohdistuvasta valinnasta, jotka parantavat kelpoisuutta isännän ulkopuolisissa ympäristöissä. Opportunistien aiheuttamat tautiepidemiat ovat kuitenkin verraten harvinaisia, mikä viittaa siihen että jokin tekijä ympäristössä toimii vastavoimana taudinaiheuttamiskykyyn kohdistuvalle valinnalle. Faagien vaikutuksia opportunistibakteerien taudinaiheuttamiskyvyn evoluutioon tutkittiin niinikään matalaravinteisessa ympäristössä, joissa vaihtelevina ympäristötekijöinä olivat joko lämpötila tai bakteereja ravinnokseen käyttävien vihollisten eri yhdistelmät. Kokeiden päätteeksi taudinaiheuttamiskyky mitattiin hyönteisissä. Kliinistä taudinaiheuttajabakteerikantaa altistettiin faagi-koktaileille (phage cocktails) kokeessa, jonka tarkoituksena oli selvittää onko faageille vastustuskykyisten bakteerin taudinaiheuttamiskyky alentunut faagipuolustuksen aiheuttamien kustannusten seurauksena, ja mahdolliset muutokset taudinaiheuttamiskyvyssä mitattiin hyönteisissä. Faagivastustuskykyyn kohdistuvan voimakkaan valintapaineen huomioonottaen faagiterapian onnistumisen kannalta on merkittävää, voidaanko uusia faageja tarvittaessa eristää ympäristöstä. Tavoitteeksi asetettiin eristää uusia faageja, jotka estävät kliinisten antibiooteille vastustuskykyisten bakteereiden kasvua. Yksittäinen faagityyppi osoittautui tehottomaksi säätelemään bakteeribiomassan määrää pitkällä aikavälillä ja faageille vastustuskykyiset bakteerit palauttivat populaatiot nopeasti lähes kontrollitasolle. Alkueläimet näin ollen vastasivat pitkällä aikavälillä käytännössä kaikesta bakteeribiomassan vähentymisestä. Alkueliöt vaikuttivat myös bakteerien faagivastustuskyvyn evoluutioon: alkueliöille altistuneet bakteerit olivat vähemmän alttiita faagi-infektioille. Korkea lämpötila johti taudinaiheuttamiskykyvyn nousuun bakteereissa, mutta ilmiö kumoutui faagien vaikutuksesta. Monilajisissa yhteisöissä kaikkien bakteeripetojen läsnäolo taas alensi bakteerien taudinaiheuttamiskykyä. Nämä tulokset puhuvat sattumanvaraisen evoluution hypoteesia vastaan ja faagit näyttäisivät sen sijaan luovan valintapaineen vähemmän taudinaiheuttamiskykyisille bakteereille. Myös faagikoktailit aiheuttivat taudinaiheuttamiskyvyn laskua bakteereissa. Jotkut yksittäiset virukset näyttivät kuitenkin nostavan bakteerien taudinaiheuttamiskykyä vastustuskykyisissä bakteereissa, minkä vuoksi tuleekin noudattaa erityistä varovaisuutta valittaessa faageja koktaileihin ja faagiterapiaan. Jätevedestä onnistuttiin eristämään kokoelma faageja, jotka estivät kasvua laajassa joukossa kliinisiä antibiooteille vastustuskykyisiä bakteerikantoja. Tämä tulos yhdessä faagi-infektioiden maantiedettä koskevien havaintojen kanssa antaa olettaa, että uusia faageja on eristettävissä ympäristövarannoista ja että laaja-alaisen faagivastustuskyvyn syntyminen ei ole este faagiterapian kehittämiselle tulevaisuudessa

Protist predation can select for bacteria with lowered susceptibility to infection by lytic phages

Background: Consumer-resource interactions constitute one of the most common types of interspecific antagonistic interaction. In natural communities, complex species interactions are likely to affect the outcomes of reciprocal co-evolution between consumers and their resource species. Individuals face multiple enemies simultaneously, and consequently they need to adapt to several different types of enemy pressures. In this study, we assessed how protist predation affects the susceptibility of bacterial populations to infection by viral parasites, and whether there is an associated cost of defence on the competitive ability of the bacteria. As a study system we used Serratia marcescens and its lytic bacteriophage, along with two bacteriovorous protists with distinct feeding modes: Tetrahymena thermophila (particle feeder) and Acanthamoeba castellanii (surface feeder). The results were further confirmed with another study system with Pseudomonas and Tetrahymena thermophila. Results: We found that selection by protist predators lowered the susceptibility to infections by lytic phages in Serratia and Pseudomonas. In Serratia, concurrent selection by phages and protists led to lowered susceptibility to phage infections and this effect was independent from whether the bacteria shared a co-evolutionary history with the phage population or not. Bacteria that had evolved with phages were overall more susceptible to phage infection (compared to bacteria with history with multiple enemies) but they were less vulnerable to the phages they had co-evolved with than ancestral phages. Selection by bacterial enemies was costly in general and was seen as a lowered fitness in absence of phages, measured as a biomass yield. Conclusions: Our results show the significance of multiple species interactions on pairwise consumer-resource interaction, and suggest potential overlap in defending against predatory and parasitic enemies in microbial consumer-resource communities. Ultimately, our results could have larger scale effects on eco-evolutionary community dynamics.Peer reviewe

Top-down effects of a lytic bacteriophage and protozoa on bacteria in aqueous and biofilm phases

Peer reviewe

Coincidental Loss of Bacterial Virulence in Multi-Enemy Microbial Communities

Peer reviewe

Coincidental Loss of Bacterial Virulence in Multi-Enemy Microbial Communities

Peer reviewe

High temperature and bacteriophages can indirectly select for bacterial pathogenicity in environmental reservoirs

The coincidental evolution hypothesis predicts that traits connected to bacterial pathogenicity could be indirectly selected outside the host as a correlated response to abiotic environmental conditions or different biotic species interactions. To investigate this, an opportunistic bacterial pathogen, Serratia marcescens, was cultured in the absence and presence of the lytic bacteriophage PPV (Podoviridae) at 25°C and 37°C for four weeks (N = 5). At the end, we measured changes in bacterial phage-resistance and potential virulence traits, and determined the pathogenicity of all bacterial selection lines in the Parasemia plantaginis insect model in vivo. Selection at 37°C increased bacterial motility and pathogenicity but only in the absence of phages. Exposure to phages increased the phage-resistance of bacteria, and this was costly in terms of decreased maximum population size in the absence of phages. However, this small-magnitude growth cost was not greater with bacteria that had evolved in high temperature regime, and no trade-off was found between phage-resistance and growth rate. As a result, phages constrained the evolution of a temperature-mediated increase in bacterial pathogenicity presumably by preferably infecting the highly motile and virulent bacteria. In more general perspective, our results suggest that the traits connected to bacterial pathogenicity could be indirectly selected as a correlated response by abiotic and biotic factors in environmental reservoirs.Peer reviewe

ARCH 14 - International Conference on Research on Health Care Architecture - November 19-21, 2014, Espoo, Finland - Conference Proceedings

Healthcare Architecture has grown rapidly in recent years. However, there are still many questions remaining. The commission, therefore, is to share the existing research knowledge and latest results and to carry out research projects focusing more specifically on the health care situation in a variety of contexts. The ARCH14 conference was the third conference in the series of ARCH conferences on Research on Health Care Architecture initiated by Chalmers University. It was realized in collaboration with the Nordic Research Network for Healthcare Architecture .It was a joint event between Aalto University, Finnish Institute of Occupational Health (FIOH) and National Institute of Health and Welfare (THL International).The conference gathered together more than 70 researchers and practitioners from across disciplines and countries to discuss the current themes

Dynamic Simulation of Electric Power Systems with Matlab/Simscape software

Energiajärjestelmiä tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti. Nykypäivänä uusiutuvaa energiaa pyritään lisäämään sähköverkkoihin yhä enemmän. Kasvava uusiutuvan energian osuus sähköverkossa lisää kuitenkin myös vaihtelevan energiantuotannon määrää. Tämä aiheuttaa siten säädön ja säätövoiman kasvavaa tarvetta. Tässä työssä tutkimuskohteena on sähköenergiajärjestelmien dynaaminen mallinnus ja simulointi Matlab/Simscape-ympäristössä. Työssä esitellään energiajärjestelmien ominaisuuksia sekä Matlabin Simscapen toimintaa. Lisäksi perehdytään aurinko- ja tuulivoimamalleihin. Lopuksi työssä esitetään kaksi mallinnusesimerkkiä, joista toisessa on esitetty dynaaminen sähköverkkomalli

Tasemallin muutoksen vaikutukset vesivoiman tuottajalle

Vesivoima on pohjoismaisen sähköjärjestelmän kannalta tärkein uusiutuva energianlähde. Sähköjärjestelmässä sähkön tuotannon ja kulutuksen on oltava jatkuvasti tasapainossa. Tasapainoa ylläpitääkseen järjestelmä tarvitsee säätövoimaa. Vesivoiman ominaisuudet soveltuvat erinomaisesti säätövoiman tuotantoon ja siksi se toimiikin merkittävimpänä säätövoiman tuottajana Pohjoismaissa. Sähköverkossa jatkuvasti muuttuvan kulutuksen lisäksi myös uusiutuvien energianlähteiden osuuden kasvaminen lisää säätövoiman tarvetta entisestään. Sähköjärjestelmän on oltava myös kaupallisesti tasapainossa. Taseselvityksen tarkoituksena on muodostaa sähkömarkkinoille taloudellinen tasapaino kunkin käyttötunnin jälkeen. Taseselvityksen tuloksena selviää sähkömarkkinaosapuolten väliset sähköntoimitukset. Taseselvityksessä sähkön tuotantoa ja kulutusta käsitellään sähkötaseiden avulla. Nykyisin voimassa olevassa taseselvitysmallissa sähkön tuotanto ja kulutus käsitellään omissa taseissaan. Sähkön kulutus käsitellään kulutustaseessa ja tuotettu sähkö tuotantotaseessa. Tuotantotaseen poikkeama syntyy, kun taseselvitysjaksolla tuotettu sähköenergia eroaa tuotantosuunnitelmasta. Nykyisin tuotantotaseen poikkeamalle sovelletaan niin kutsuttua kaksihinnoittelua. Siinä tasesähkön ostolle ja myynnille sovelletaan kahta eri hintaa. Eurooppalaisen sähkömarkkinoiden harmonisoinnin myötä pohjoismaissa ollaan siirtymässä yhden taseen ja hinnan malliin. Siinä sähkön tuotanto ja kulutus käsitellään samassa taseessa. Tuotantotaseen myötä taseselvityksestä poistuvat myös tuotantosuunnitelmat, ja yhden taseen kokonaistasepoikkeamalle sovelletaan vain yhtä hintaa. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli analysoida tulevan taseselvitysmallin muutoksen taloudellisia vaikutuksia vesivoiman tuottajan näkökulmasta. Lisäksi työssä pohdittiin, miten markkina tulee reagoimaan muutokseen, ja mitä lieveilmiöitä mahdollisesti voidaan havaita. Työ toteutettiin kirjallisuusselvityksen ja laadullisen haastattelututkimuksen keinoin. Tärkeimpinä kirjallisuuslähteinä toimivat Suomen kantaverkon Fingridin, pohjoismaisen taseselvitysyksikkö eSettin ja pohjoismaisen tasehallintahankkeen sähköiset aineistot. Tutkimuksen haastattelut toteutettiin puolistrukturoituina teemahaastatteluina. Haastateltavat olivat sähkömarkkinoiden asiantuntijoita eri puolilta energiasektoria. Lähdeaineiston ja haastatteluiden avulla saatiin kattavasti monipuolisia näkemyksiä markkinoiden kehitysnäkymistä tasemallin muutoksen aikana ja sen jälkeen. Haastatteluissa taseselvitysmallin muutos nähtiin luonnollisena osana jatkuvasti muuttuvaa ympäristöä. Yleisesti muutoksesta nähtiin hyötyvän kaikkien sähköntuottajien. Erityisesti säätökykyisen tuotannon näkökulmasta taseselvitysmallin muutoksen nähtiin tuovan lisää joustavuutta ja taloudellista vakautta toiminnalle. Vesivoiman tuottajan näkökulmasta katsottuna oman taseen tasapainottaminen helpottuu ja tasekustannukset laskevat yksitasemalliin siirryttäessä. Tuotantotaseen poistumisen myötä esimerkiksi sähköntuotannon äkilliset muutokset eivät enää altista toimijoita yhtä voimakkaalle tasesähkön hintariskille kuin kaksitasemallissa. Työssä vertailtiin myös todelliseen sähkömarkkinadataan perustuen taloudellisia vaikutuksia tasemallien välillä. Tulokset tukivat haastatteluissa esiin nousseita näkemyksiä hyödyistä, mitä taseselvitysmallin muutoksen myötä voidaan saavuttaa.Hydropower is the most essential renewable energy source in the Nordic power grid. The frequency of the grid must continuously stay in balance in the power system. To maintain the balance of the grid there must always be load following power resources available. The features of hydropower are highly suitable for load following power generation and therefore hydropower is a major operator in balancing power on the grid of Nordic countries. Furthermore, the continuous increase of renewable energy production in power grid leads to increasing need of regulation power. The imbalance settlement is conducted after every imbalance settlement period. Imbalance settlement determines the electricity deliveries between the parties operating in the electricity market. Electricity production and consumption are handled with in two different balances called production balance and consumption balance. The deviation in production balance is formed when the actual production differs from the production plan. Separate prices are calculated for the purchase and sales of imbalance power in the two-price system. Due to the European harmonization of the electricity market, the balance settlement model in Nordic countries will change to a one balance and price model in future. Renewed model includes a single imbalance price and a single balancing responsible party position. The aim of this study was to analyze the economic influence on hydropower producers when transitioning to the new single balance settlement model and to consider, if there were any un-foreseen events that would affect the electricity market participants on this turning point. The study was conducted with the methods of a literature review and a qualitative interview survey. The interviewees consisted of electricity market specialists around the energy sector. The interview surveys in this study provided comprehensive and diverse insight into the development prospects of the electricity markets during the change of the balance settlement model. The change was considered as a natural part of a continuously changing environment. In general, it was deducted, that all electricity producers were seen to will benefit from the change. Especially from hydropower productions point of view, the change of the balance settlement model was considered to bring more flexibility and financial stability to operations. In addition, the balance control will be more effortless, and the costs of balance deviations will decrease. For example, the sudden changes in power generation will no longer expose the participants to as high imbalance power price risk as in two balance model. In this study it was also compared the economic effects between balance models based on actual electricity market data were compared. The results supported the views expressed in the interviews on the benefits that can be achieved with the model change