ABSTRACT Antibiotic resistant bacteria present an emerging challenge to human health as the pressure instituted on the microbial world through the liberal use of antibiotics has resulted in their emergence across the globe. Those bacteria that acquire mobile genetic elements such as plasmids are especially concerning because those plasmids may be shared readily with other microbes that then can also become antibiotic resistant. Serious infections have recently been related to contamination of preservative-free eyedrops with extensively drug resistant (XDR) isolates of Pseudomonas aeruginosa , already resulting in three deaths. These drug-resistant isolates cannot be managed with most conventional antibiotics. We sought to identify alternatives to conventional antibiotics for lysis of these XDR isolates, and identified multiple bacteriophages (viruses that attack bacteria) that killed them efficiently. We found both jumbo phages (>200kb in genome size) and non-jumbo phages that were active against these isolates, the former killing more efficiently. Jumbo phages effectively killed the 3 separate XDR P. aeruginosa isolates both on solid and liquid medium. Given the ongoing nature of the XDR P. aeruginosa eyedrop outbreak, the identification of phages active against them provides physicians with several novel potential alternatives for treatment.

Introns containing homing endonucleases are widespread in nature and have long been assumed to be selfish elements that provide no benefit to the host organism. These genetic elements are common in viruses, but whether they confer a selective advantage is unclear. In this work, we studied intron-encoded homing endonuclease gp210 in bacteriophage ΦPA3 and found that it contributes to viral competition by interfering with the replication of a coinfecting phage, ΦKZ. We show that gp210 targets a specific sequence in ΦKZ, which prevents the assembly of progeny viruses. This work demonstrates how a homing endonuclease can be deployed in interference competition among viruses and provide a relative fitness advantage. Given the ubiquity of homing endonucleases, this selective advantage likely has widespread evolutionary implications in diverse plasmid and viral competition as well as virus-host interactions.

Cells must access resources to survive, and the anatomy of multicellular structures influences this access. In diverse multicellular eukaryotes, resources are provided by internal conduits that allow substances to travel more readily through tissue than they would via diffusion. Microbes growing in multicellular structures, called biofilms, are also affected by differential access to resources and we hypothesized that this is influenced by the physical arrangement of the cells. In this study, we examined the microanatomy of biofilms formed by the pathogenic bacterium Pseudomonas aeruginosa and discovered that clonal cells form striations that are packed lengthwise across most of a mature biofilm's depth. We identified mutants, including those defective in pilus function and in O-antigen attachment, that show alterations to this lengthwise packing phenotype. Consistent with the notion that cellular arrangement affects access to resources within the biofilm, we found that while the wild type shows even distribution of tested substrates across depth, the mutants show accumulation of substrates at the biofilm boundaries. Furthermore, we found that altered cellular arrangement within biofilms affects the localization of metabolic activity, the survival of resident cells, and the susceptibility of subpopulations to antibiotic treatment. Our observations provide insight into cellular features that determine biofilm microanatomy, with consequences for physiological differentiation and drug sensitivity.

Eukaryotic viruses assemble compartments required for genome replication, but no such organelles are known to be essential for prokaryotic viruses. Bacteriophages of the family Chimalliviridae sequester their genomes within a phagegenerated organelle, the phage nucleus, which is enclosed by a lattice of viral protein ChmA. Using the dRfxCas13d-based knockdown system CRISPRi-ART, we show that ChmA is essential for the E. coli phage Goslar life cycle. Without ChmA, infections are arrested at an early stage in which the injected phage genome is enclosed in a membrane-bound vesicle capable of gene expression but not DNA replication. Not only do we demonstrate that the phage nucleus is essential for genome replication, but we also show that the Chimalliviridae early phage infection (EPI) vesicle is a transcriptionally active, phage-generated organelle.

Antibacterial proteins inhibiting

Targeting proteins to specific subcellular destinations is essential in prokaryotes, eukaryotes, and the viruses that infect them. Chimalliviridae phages encapsulate their genomes in a nucleus-like replication compartment composed of the protein chimallin (ChmA) that excludes ribosomes and decouples transcription from translation. These phages selectively partition proteins between the phage nucleus and the bacterial cytoplasm. Currently, the genes and signals that govern selective protein import into the phage nucleus are unknown. Here we identify two components of this novel protein import pathway: a species-specific surface-exposed region of a phage intranuclear protein required for nuclear entry and a conserved protein, PicA, that facilitates cargo protein trafficking across the phage nuclear shell. We also identify a defective cargo protein that is targeted to PicA on the nuclear periphery but fails to enter the nucleus, providing insight into the mechanism of nuclear protein trafficking. Using CRISPRi-ART protein expression knockdown of PicA, we show that PicA is essential early in the chimallivirus replication cycle. Together our results allow us to propose a multistep model for the Protein Import Chimallivirus (PIC) pathway, where proteins are targeted to PicA by amino acids on their surface, and then licensed by PicA for nuclear entry. The divergence in the selectivity of this pathway between closely-related chimalliviruses implicates its role as a key player in the evolutionary arms race between competing phages and their hosts.

Abstract Mobile introns containing homing endonucleases are widespread in nature and have long been assumed to be selfish elements that provide no benefit to the host organism. These genetic elements are common in viruses, but whether they confer a selective advantage is unclear. Here we studied a mobile intron in bacteriophage ΦPA3 and found its homing endonuclease gp210 contributes to viral competition by interfering with the virogenesis of co-infecting phage ΦKZ. We show that gp210 targets a specific sequence in its competitor ΦKZ, preventing the assembly of progeny viruses. This work reports the first demonstration of how a mobile intron can be deployed to engage in interference competition and provide a reproductive advantage. Given the ubiquity of introns, this selective advantage likely has widespread evolutionary implications in nature.