The emergence of new sequencing technologies has facilitated the use of bacterial whole genome alignments for evolutionary studies and outbreak analyses. These datasets, of increasing size, often include examples of multiple different mechanisms of horizontal sequence transfer resulting in substantial alterations to prokaryotic chromosomes. The impact of these processes demands rapid and flexible approaches able to account for recombination when reconstructing isolates' recent diversification. Gubbins is an iterative algorithm that uses spatial scanning statistics to identify loci containing elevated densities of base substitutions suggestive of horizontal sequence transfer while concurrently constructing a maximum likelihood phylogeny based on the putative point mutations outside these regions of high sequence diversity. Simulations demonstrate the algorithm generates highly accurate reconstructions under realistically parameterized models of bacterial evolution, and achieves convergence in only a few hours on alignments of hundreds of bacterial genome sequences. Gubbins is appropriate for reconstructing the recent evolutionary history of a variety of haploid genotype alignments, as it makes no assumptions about the underlying mechanism of recombination. The software is freely available for download at github.com/sanger-pathogens/Gubbins, implemented in Python and C and supported on Linux and Mac OS X.

Next generation sequencing (NGS) technology has revolutionized genomic and genetic research. The pace of change in this area is rapid with three major new sequencing platforms having been released in 2011: Ion Torrent’s PGM, Pacific Biosciences’ RS and the Illumina MiSeq. Here we compare the results obtained with those platforms to the performance of the Illumina HiSeq, the current market leader. In order to compare these platforms, and get sufficient coverage depth to allow meaningful analysis, we have sequenced a set of 4 microbial genomes with mean GC content ranging from 19.3 to 67.7%. Together, these represent a comprehensive range of genome content. Here we report our analysis of that sequence data in terms of coverage distribution, bias, GC distribution, variant detection and accuracy. Sequence generated by Ion Torrent, MiSeq and Pacific Biosciences technologies displays near perfect coverage behaviour on GC-rich, neutral and moderately AT-rich genomes, but a profound bias was observed upon sequencing the extremely AT-rich genome of Plasmodium falciparum on the PGM, resulting in no coverage for approximately 30% of the genome. We analysed the ability to call variants from each platform and found that we could call slightly more variants from Ion Torrent data compared to MiSeq data, but at the expense of a higher false positive rate. Variant calling from Pacific Biosciences data was possible but higher coverage depth was required. Context specific errors were observed in both PGM and MiSeq data, but not in that from the Pacific Biosciences platform. All three fast turnaround sequencers evaluated here were able to generate usable sequence. However there are key differences between the quality of that data and the applications it will support.

Significance Klebsiella pneumoniae is rapidly becoming untreatable using last-line antibiotics. It is especially problematic in hospitals, where it causes a range of acute infections. To approach controlling such a bacterium, we first must define what it is and how it varies genetically. Here we have determined the DNA sequence of K . pneumoniae isolates from around the world and present a detailed analysis of these data. We show that there is a wide spectrum of diversity, including variation within shared sequences and gain and loss of whole genes. Using this detailed blueprint, we show that there is an unrecognized association between the possession of specific gene profiles associated with virulence and antibiotic resistance and the differing disease outcomes seen for K . pneumoniae .

Global dispersal and increasing frequency of the SARS-CoV-2 spike protein variant D614G are suggestive of a selective advantage but may also be due to a random founder effect. We investigate the hypothesis for positive selection of spike D614G in the United Kingdom using more than 25,000 whole genome SARS-CoV-2 sequences. Despite the availability of a large dataset, well represented by both spike 614 variants, not all approaches showed a conclusive signal of positive selection. Population genetic analysis indicates that 614G increases in frequency relative to 614D in a manner consistent with a selective advantage. We do not find any indication that patients infected with the spike 614G variant have higher COVID-19 mortality or clinical severity, but 614G is associated with higher viral load and younger age of patients. Significant differences in growth and size of 614G phylogenetic clusters indicate a need for continued study of this variant.

Vibrio cholerae is a globally important pathogen that is endemic in many areas of the world and causes 3-5 million reported cases of cholera every year. Historically, there have been seven acknowledged cholera pandemics; recent outbreaks in Zimbabwe and Haiti are included in the seventh and ongoing pandemic. Only isolates in serogroup O1 (consisting of two biotypes known as 'classical' and 'El Tor') and the derivative O139 can cause epidemic cholera. It is believed that the first six cholera pandemics were caused by the classical biotype, but El Tor has subsequently spread globally and replaced the classical biotype in the current pandemic. Detailed molecular epidemiological mapping of cholera has been compromised by a reliance on sub-genomic regions such as mobile elements to infer relationships, making El Tor isolates associated with the seventh pandemic seem superficially diverse. To understand the underlying phylogeny of the lineage responsible for the current pandemic, we identified high-resolution markers (single nucleotide polymorphisms; SNPs) in 154 whole-genome sequences of globally and temporally representative V. cholerae isolates. Using this phylogeny, we show here that the seventh pandemic has spread from the Bay of Bengal in at least three independent but overlapping waves with a common ancestor in the 1950s, and identify several transcontinental transmission events. Additionally, we show how the acquisition of the SXT family of antibiotic resistance elements has shaped pandemic spread, and show that this family was first acquired at least ten years before its discovery in V. cholerae.

Epidemic C. difficile (027/BI/NAP1) has rapidly emerged in the past decade as the leading cause of antibiotic-associated diarrhea worldwide. However, the key events in evolutionary history leading to its emergence and the subsequent patterns of global spread remain unknown. Here, we define the global population structure of C. difficile 027/BI/NAP1 using whole-genome sequencing and phylogenetic analysis. We show that two distinct epidemic lineages, FQR1 and FQR2, not one as previously thought, emerged in North America within a relatively short period after acquiring the same fluoroquinolone resistance-conferring mutation and a highly related conjugative transposon. The two epidemic lineages showed distinct patterns of global spread, and the FQR2 lineage spread more widely, leading to healthcare-associated outbreaks in the UK, continental Europe and Australia. Our analysis identifies key genetic changes linked to the rapid transcontinental dissemination of epidemic C. difficile 027/BI/NAP1 and highlights the routes by which it spreads through the global healthcare system.

Phylogeographical analyses have become commonplace for a myriad of organisms with the advent of cheap DNA sequencing technologies. Bayesian model-based clustering is a powerful tool for detecting important patterns in such data and can be used to decipher even quite subtle signals of systematic differences in molecular variation. Here, we introduce two upgrades to the Bayesian Analysis of Population Structure (BAPS) software, which enable 1) spatially explicit modeling of variation in DNA sequences and 2) hierarchical clustering of DNA sequence data to reveal nested genetic population structures. We provide a direct interface to map the results from spatial clustering with Google Maps using the portal http://www.spatialepidemiology.net/ and illustrate this approach using sequence data from Borrelia burgdorferi. The usefulness of hierarchical clustering is demonstrated through an analysis of the metapopulation structure within a bacterial population experiencing a high level of local horizontal gene transfer. The tools that are introduced are freely available at http://www.helsinki.fi/bsg/software/BAPS/.

The SARS-CoV-2 delta (B.1.617.2) variant was first detected in England in March, 2021. It has since rapidly become the predominant lineage, owing to high transmissibility. It is suspected that the delta variant is associated with more severe disease than the previously dominant alpha (B.1.1.7) variant. We aimed to characterise the severity of the delta variant compared with the alpha variant by determining the relative risk of hospital attendance outcomes.

Relapsing C. difficile disease in humans is linked to a pathological imbalance within the intestinal microbiota, termed dysbiosis, which remains poorly understood. We show that mice infected with epidemic C. difficile (genotype 027/BI) develop highly contagious, chronic intestinal disease and persistent dysbiosis characterized by a distinct, simplified microbiota containing opportunistic pathogens and altered metabolite production. Chronic C. difficile 027/BI infection was refractory to vancomycin treatment leading to relapsing disease. In contrast, treatment of C. difficile 027/BI infected mice with feces from healthy mice rapidly restored a diverse, healthy microbiota and resolved C. difficile disease and contagiousness. We used this model to identify a simple mixture of six phylogenetically diverse intestinal bacteria, including novel species, which can re-establish a health-associated microbiota and clear C. difficile 027/BI infection from mice. Thus, targeting a dysbiotic microbiota with a defined mixture of phylogenetically diverse bacteria can trigger major shifts in the microbial community structure that displaces C. difficile and, as a result, resolves disease and contagiousness. Further, we demonstrate a rational approach to harness the therapeutic potential of health-associated microbial communities to treat C. difficile disease and potentially other forms of intestinal dysbiosis.

Vaccines based on the spike protein of SARS-CoV-2 are a cornerstone of the public health response to COVID-19. The emergence of hypermutated, increasingly transmissible variants of concern (VOCs) threaten this strategy. Omicron (B.1.1.529), the fifth VOC to be described, harbours multiple amino acid mutations in spike, half of which lie within the receptor-binding domain. Here we demonstrate substantial evasion of neutralization by Omicron BA.1 and BA.2 variants in vitro using sera from individuals vaccinated with ChAdOx1, BNT162b2 and mRNA-1273. These data were mirrored by a substantial reduction in real-world vaccine effectiveness that was partially restored by booster vaccination. The Omicron variants BA.1 and BA.2 did not induce cell syncytia in vitro and favoured a TMPRSS2-independent endosomal entry pathway, these phenotypes mapping to distinct regions of the spike protein. Impaired cell fusion was determined by the receptor-binding domain, while endosomal entry mapped to the S2 domain. Such marked changes in antigenicity and replicative biology may underlie the rapid global spread and altered pathogenicity of the Omicron variant.