Summary Bacteriophages are ubiquitous in nature and represent a vast repository of genetic diversity, which is driven by the endless coevolution cycle with a diversified group of bacterial hosts. Studying phage‐host interactions is important to gain novel insights into their dynamic adaptation. In this study, we isolated 12 phages infecting species of the Acinetobacter baumannii‐Acinetobacter calcoaceticus complex which exhibited a narrow host range and similar morphological features (podoviruses with short tails of 9–12 nm and isometric heads of 50–60 nm). Notably, the alignment of the newly sequenced phage genomes (40–41 kb of DNA length) and all Acinetobacter podoviruses deposited in Genbank has shown high synteny, regardless of the date and source of isolation that spans from America to Europe and Asia. Interestingly, the C‐terminal pectate lyase domain of these phage tail fibres is often the only difference found among these viral genomes, demonstrating a very specific genomic variation during the course of their evolution. We proved that the pectate lyase domain is responsible for phage depolymerase activity and binding to specific Acinetobacter bacterial capsules. We discuss how this mechanism of phage‐host co‐evolution impacts the tail specificity apparatus of Acinetobacter podoviruses.

Abstract Prokaryotes encode multiple distinct anti-phage defense systems in their genomes. However, the impact of carrying a multitude of defense systems on phage resistance remains unclear, especially in a clinical context. Using a collection of antibiotic-resistant clinical strains of Pseudomonas aeruginosa and a broad panel of phages, we demonstrate that defense systems contribute substantially to defining phage host range and that overall phage resistance scales with the number of defense systems in the bacterial genome. We show that many individual defense systems are specific to phage genera, and that defense systems with complementary phage specificities co-occur in P. aeruginosa genomes likely to provide benefits in phage-diverse environments. Overall, we show that phage-resistant phenotypes of P. aeruginosa with at least 19 phage defense systems exist in the populations of clinical, antibiotic-resistant P. aeruginosa strains.

Abstract Bacteriophages are an invaluable source of novel genetic diversity. Sequencing of phage genomes can reveal new proteins with potential uses as biotechnological and medical tools, and help unravel the diversity of biological mechanisms employed by phages to take over the host during viral infection. Aiming to expand the available collection of phage genomes, we have isolated, sequenced, and assembled the genome sequences of four phages that infect the clinical pathogen Klebsiella pneumoniae: vB_KpnP_FBKp16, vB_KpnP_FBKp27, vB_KpnM_FBKp34, and Jumbo phage vB_KpnM_FBKp24. The four phages show very low (0-13%) identity to genomic phage sequences deposited in the Genbank database. Three of the four phages encode tRNAs and have a GC content very dissimilar to that of the host. Importantly, the genome sequences of the phages reveal potentially novel DNA packaging mechanisms as well as distinct clades of tubulin spindle and nucleus shell proteins that some phages use to compartmentalize viral replication. Overall, this study contributes to uncovering previously unknown virus diversity, and provides novel candidates for phage therapy applications against antibiotic-resistant K. pneumoniae infections.

Highlights•Bacterial homologs of eukaryotic innate immunity genes examined in P. aeruginosa•Over 400 eukaryotic-like bacterial antiviral candidates were identified•Six eukaryotic-like phage defense systems validated to have strong anti-phage activity•Findings underscore the shared evolutionary roots of viral defenses across the domainsSummaryProkaryotes have evolved a multitude of defense systems to protect against phage predation. Some of these resemble eukaryotic genes involved in antiviral responses. Here, we set out to systematically project the current knowledge of eukaryotic-like antiviral defense systems onto prokaryotic genomes, using Pseudomonas aeruginosa as a model organism. Searching for phage defense systems related to innate antiviral genes from vertebrates and plants, we uncovered over 450 candidates. We validated six of these phage defense systems, including factors preventing viral attachment, R-loop-acting enzymes, the inflammasome, ubiquitin pathway, and pathogen recognition signaling. Collectively, these defense systems support the concept of deep evolutionary links and shared antiviral mechanisms between prokaryotes and eukaryotes.Graphical abstract

SUMMARY The Klebsiella jumbo myophage ϕKp24 displays an unusually complex arrangement of tail fibers interacting with a host cell. In this study, we combined cryo-electron microscopy methods, protein structure prediction methods, molecular simulations, and machine learning approaches to explore the capsid, tail, and tail fibers of this phage at high resolution. We determined the structure of the capsid and tail at 4.3Å and 4.1Å resolution. We observed that the tail fibers were highly branched and rearranged dramatically upon cell surface attachment. This complex configuration involves fourteen putative tail fibers with depolymerase activity that provide ϕKp24 with the ability to infect a broad panel of capsular polysaccharide (CPS) types of Klebsiella pneumoniae . Taken together, our study provides structural and functional insight into how ϕKp24 adapts to the highly variable surfaces of capsulated bacterial pathogens, which will be useful for the development of phage therapy approaches against pan-drug resistant K. pneumoniae strains.

The recent nomination by the World Health Organization of Acinetobacter baumannii as the number one priority pathogen for the development of new antibiotics is a direct consequence of its fast evolution of pathogenicity, and in particular of multidrug resistance. While the development of new antibiotics is critical, understanding the mechanisms behind the crescent bacterial pathogenicity is equally relevant. Often, resistance and other bacterial virulence elements are contained on highly mobile pieces of DNA that can easily spread to other bacteria. Prophages are one of the mediators of this form of gene transfer, and have been frequently found in bacterial genomes, often offering advantageous features to the host. Here we question the contribution of prophages for the evolution of A. baumannii pathogenicity. We found prophages to be notably diverse and widely disseminated in A. baumannii genomes. Also remarkably, A. baumannii prophages encode for multiple putative virulence factors that may be implicated in the bacterium's capacity to colonize host niches, evade the host immune system, subsist in unfavorable environments, and tolerate antibiotics. Overall our results point towards a significant contribution of prophages for the dissemination and evolution of pathogenicity in A. baumannii, and highlight their clinical relevance.