A systems-level understanding of Gram-positive bacteria is important from both an environmental and health perspective and is most easily obtained when high-quality, validated genomic resources are available. To this end, we constructed two ordered, barcoded, erythromycin-resistance- and kanamycin-resistance-marked single-gene deletion libraries of the Gram-positive model organism, Bacillus subtilis. The libraries comprise 3,968 and 3,970 genes, respectively, and overlap in all but four genes. Using these libraries, we update the set of essential genes known for this organism, provide a comprehensive compendium of B. subtilis auxotrophic genes, and identify genes required for utilizing specific carbon and nitrogen sources, as well as those required for growth at low temperature. We report the identification of enzymes catalyzing several missing steps in amino acid biosynthesis. Finally, we describe a suite of high-throughput phenotyping methodologies and apply them to provide a genome-wide analysis of competence and sporulation. Altogether, we provide versatile resources for studying gene function and pathway and network architecture in Gram-positive bacteria.

Abstract Motivation: Completing the genome sequence of an organism is an important task in comparative, functional and structural genomics. However, this remains a challenging issue from both a computational and an experimental viewpoint. Genome scaffolding (i.e. the process of ordering and orientating contigs) of de novo assemblies usually represents the first step in most genome finishing pipelines. Results: In this article we present MeDuSa (Multi-Draft based Scaffolder), an algorithm for genome scaffolding. MeDuSa exploits information obtained from a set of (draft or closed) genomes from related organisms to determine the correct order and orientation of the contigs. MeDuSa formalizes the scaffolding problem by means of a combinatorial optimization formulation on graphs and implements an efficient constant factor approximation algorithm to solve it. In contrast to currently used scaffolders, it does not require either prior knowledge on the microrganisms dataset under analysis (e.g. their phylogenetic relationships) or the availability of paired end read libraries. This makes usability and running time two additional important features of our method. Moreover, benchmarks and tests on real bacterial datasets showed that MeDuSa is highly accurate and, in most cases, outperforms traditional scaffolders. The possibility to use MeDuSa on eukaryotic datasets has also been evaluated, leading to interesting results. Availability and implementation: MeDuSa web server: http://combo.dbe.unifi.it/medusa. A stand-alone version of the software can be downloaded from https://github.com/combogenomics/medusa/releases. All results presented in this work have been obtained with MeDuSa v. 1.3. Contact: marco.fondi@unifi.it Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Recent developments in sequencing technologies have given the opportunity to sequence many bacterial genomes with limited cost and labor, compared to previous techniques. However, a limiting step of genome sequencing is the finishing process, needed to infer the relative position of each contig and close sequencing gaps. An additional degree of complexity is given by bacterial species harboring more than one replicon, which are not contemplated by the currently available programs. The availability of a large number of bacterial genomes allows geneticists to use complete genomes (possibly from the same species) as templates for contigs mapping.Here we present CONTIGuator, a software tool for contigs mapping over a reference genome which allows the visualization of a map of contigs, underlining loss and/or gain of genetic elements and permitting to finish multipartite genomes. The functionality of CONTIGuator was tested using four genomes, demonstrating its improved performances compared to currently available programs.Our approach appears efficient, with a clear visualization, allowing the user to perform comparative structural genomics analysis on draft genomes. CONTIGuator is a Python script for Linux environments and can be used on normal desktop machines and can be downloaded from http://contiguator.sourceforge.net.

Genome-wide association studies (GWAS) in microbes have different challenges to GWAS in eukaryotes. These have been addressed by a number of different methods. pyseer brings these techniques together in one package tailored to microbial GWAS, allows greater flexibility of the input data used, and adds new methods to interpret the association results.pyseer is written in python and is freely available at https://github.com/mgalardini/pyseer, or can be installed through pip. Documentation and a tutorial are available at http://pyseer.readthedocs.io.Supplementary data are available at Bioinformatics online.

ABSTRACT Retrons are genetic retroelements, commonly found in bacterial genomes and recently repurposed as genome editing tools. Their encoded reverse transcriptase (RT) produces a multi-copy single-stranded DNA (msDNA). Despite our understanding of their complex biosynthesis, the function of msDNAs and therefore, the physiological role of retrons has remained elusive. We establish that the retron-Sen2 in Salmonella Typhimurium encodes a toxin, which we have renamed as RcaT (Retron cold-anaerobic Toxin). RcaT is activated when msDNA biosynthesis is perturbed and its toxicity is higher at ambient temperatures or during anaerobiosis. The RT and msDNA form together the antitoxin unit, with the RT binding RcaT, and the msDNA enabling the antitoxin activity. Using another E. coli retron, we establish that this toxin/antitoxin function is conserved, and that RT-toxin interactions are cognate. Altogether, retrons constitute a novel family of tripartite toxin/antitoxin systems.

Abstract Summary Genome-wide association studies (GWAS) in microbes face different challenges to eukaryotes and have been addressed by a number of different methods. pyseer brings these techniques together in one package tailored to microbial GWAS, allows greater flexibility of the input data used, and adds new methods to interpret the association results. Availability and Implementation pyseer is written in python and is freely available at https://github.com/mgalardini/pyseer , or can be installed through pip . Documentation and a tutorial are available at http://pyseer.readthedocs.io . Contact john.lees@nyumc.org and marco@ebi.ac.uk Supplementary information Supplementary data are available online.

Abstract The genus Escherichia is composed of several species and cryptic clades, including E. coli , which behave as a vertebrate gut commensal, but also as an opportunistic pathogen involved in both diarrheic and extra-intestinal diseases. To characterize the genetic determinants of extra-intestinal virulence within the genus, we carried out an unbiased genome-wide association study (GWAS) on 370 commensal, pathogenic and environmental strains representative of the Escherichia genus phylogenetic diversity and including E. albertii (n=7), E. fergusonii (n=5), Escherichia clades (n=32) and E. coli (n=326), tested in a mouse model of sepsis. We found that the high-pathogenicity island (HPI), a ∼35 kbp gene island encoding the yersiniabactin siderophore, is highly associated with death in mice, surpassing other associated genetic factors also related to iron uptake, such as the aerobactin and the sitABCD operons. We validated the association in vivo by deleting key components of the HPI in E. coli strains in two phylogenetic backgrounds, and found that virulence is correlated in E. coli with growth in the presence of various stressors including several antimicrobials, which hints at collateral sensitivities associated with intrinsic virulence. This study points to the major role of iron capture systems in the extra-intestinal virulence of the genus Escherichia and the collateral effects on cell growth of such systems.

Abstract Escherichia coli is both a highly prevalent commensal and a major opportunistic pathogen causing bloodstream infections (BSI). A systematic analysis characterizing the genomic determinants of extra-intestinal pathogenic vs. commensal isolates in human populations, which could inform mechanisms of pathogenesis, diagnostics, prevention and treatment is still lacking. We used a collection of 1282 BSI and commensal E. coli isolates collected in France over a 17-year period (2000-2017) and we compared their pangenomes, genetic backgrounds (phylogroups, STs, O groups), presence of virulence-associated genes (VAGs) and antimicrobial resistance genes, finding significant differences in all comparisons between commensal and BSI isolates. A machine learning linear model trained on all the genetic variants derived from the pangenome and controlling for population structure reveals similar differences in VAGs, discovers new variants associated with pathogenicity (capacity to cause BSI), and accurately classifies BSI vs. commensal strains. Pathogenicity is a highly heritable trait, with up to 69% of the variance explained by bacterial genetic variants. Lastly, complementing our commensal collection with an older collection from 1980, we predict that pathogenicity increased steadily from 23% in 1980 to 46% in 2010. Together our findings imply that E. coli exhibit substantial genetic variation contributing to the transition between commensalism and pathogenicity and that this species evolved towards higher pathogenicity.

Abstract Nitroxoline is a bacteriostatic quinoline antibiotic, considered a metal chelator inhibiting the activity of RNA-polymerase 1 . Its clinical indications are limited to uncomplicated urinary tract infections (UTIs), with a clinical susceptibility breakpoint only available for Escherichia coli 2 . By testing > 1,000 clinical isolates, here we demonstrate a much broader activity spectrum and species-specific bactericidal activity, including multidrug-resistant Gram-negative bacteria for which therapeutic options are limited due to resistance. By combining systematic genetic and proteomic approaches with direct measurement of intracellular metals, we dissect nitroxoline perturbation of metal homeostasis and unveil additional effects on bacterial physiology. We show that nitroxoline affects outer membrane integrity, synergizing with large-scaffold antibiotics and resensitizing colistin-resistant Enterobacteriaceae in vitro and in vivo . We further characterise resistance mechanisms across E. coli , Acinetobacter baumannii and Klebsiella pneumoniae , recapitulating known E. coli resistance determinants and uncovering novel and conserved mechanisms across species, demonstrating their common effect on nitroxoline efflux.