Introductory paragraph Plasmid persistence in bacterial populations is strongly influenced by the fitness effects associated with plasmid carriage. However, plasmid fitness effects in wild-type bacterial hosts remain largely unexplored. In this study, we determined the distribution of fitness effects (DFE) for the major antibiotic resistance plasmid pOXA-48 in wild-type, ecologically compatible enterobacterial isolates from the human gut microbiota. Our results show that although pOXA-48 produced an overall reduction in bacterial fitness, the DFE was dominated by quasi-neutral effects, and beneficial effects were observed in several isolates. Incorporating these data into a simple population dynamics model revealed a new set of conditions for plasmid stability in bacterial communities, with plasmid persistence increasing with bacterial diversity and becoming less dependent on conjugation. Moreover, genomic results showed a link between plasmid fitness effects and bacterial phylogeny, helping to explain pOXA-48 epidemiology. Our results provide a simple and general explanation for plasmid persistence in natural bacterial communities.

Introductory paragraph Infections caused by carbapenemase-producing enterobacteria (CPE) are a major concern in clinical settings worldwide. Two fundamentally different processes shape the epidemiology of CPE in hospitals: the dissemination of CPE clones from patient to patient (between-patient transfer), and the transfer of carbapenemase-encoding plasmids between enterobacteria in the gut microbiota of individual patients (within-patient transfer). The relative contribution of each process to the overall dissemination of carbapenem resistance in hospitals remains poorly understood. Here, we used mechanistic models combining epidemiological data from more than 9,000 patients with whole genome sequence information from 250 enterobacteria clones to characterise the dissemination routes of the carbapenemase-encoding plasmid pOXA-48 in a hospital setting over a two-year period. Our results revealed frequent between-patient transmission of high-risk pOXA-48-carrying clones, mostly of Klebsiella pneumoniae and sporadically Escherichia coli. The results also identified pOXA-48 dissemination hotspots within the hospital, such as specific wards and individual rooms within wards. Using high-resolution plasmid sequence analysis, we uncovered the pervasive within-patient transfer of pOXA-48, suggesting that horizontal plasmid transfer occurs in the gut of virtually every colonised patient. The complex and multifaceted epidemiological scenario exposed by this study provides new insights for the development of intervention strategies to control the in-hospital spread of CPE.

Abstract Antibiotic resistance (AMR) in bacteria is a major threat to public health, and one of the key elements in the spread and evolution of AMR in clinical pathogens is the transfer of conjugative plasmids. The drivers of AMR evolution have been extensively studied in vitro , but the evolution of plasmid-mediated AMR in vivo remains poorly explored. Here, we tracked the evolution of the clinically-relevant plasmid pOXA-48, which confers resistance to the last-resort antibiotics carbapenems, in a large collection of enterobacterial clones isolated from the gut of hospitalised patients. Combining genomic and experimental approaches, we first characterized plasmid diversity and the genotypic and phenotypic effects of multiple plasmid mutations on a common genetic background. Second, using cutting-edge genomic editing in wild-type multidrug resistant enterobacteria, we dissected three cases of within-patient plasmid-mediated AMR evolution. Our results revealed, for the first time, compensatory evolution of plasmid-associated fitness cost, as well as the evolution of enhanced plasmid-mediated AMR, in bacteria evolving within the gut of hospitalised patients. Crucially, we observed that the evolution of plasmid-mediated AMR in vivo involves a pivotal trade-off between resistance levels and bacterial fitness. This study highlights the need to develop new evolution-informed approaches to tackle plasmid-mediated AMR dissemination.

Plasmids are extrachromosomal genetic elements commonly found in bacteria. Plasmids are known to fuel bacterial evolution through horizontal gene transfer (HGT), but recent analyses indicate that they can also promote intragenomic adaptations. However, the role of plasmids as catalysts of bacterial evolution beyond HGT remains poorly explored. In this study, we investigate the impact of a widespread conjugative plasmid, pOXA-48, on the evolution of various multidrug-resistant clinical enterobacteria. Combining experimental and within-patient evolution analyses, we unveil that plasmid pOXA-48 promotes bacterial evolution through the transposition of plasmid-encoded insertion sequence 1 (IS1) elements. Specifically, IS1-mediated gene inactivations expedite the adaptation rate of clinical strains in vitro and foster within-patient adaptation in the gut microbiota. We decipher the mechanism underlying the plasmid-mediated surge in IS1 transposition, revealing a negative feedback loop regulated by the genomic copy number of IS1. Given the overrepresentation of IS elements in bacterial plasmids, our findings propose that plasmid-mediated IS transposition represents a crucial mechanism for swift bacterial adaptation.

Abstract Major antibiotic groups are losing effectiveness due to the uncontrollable spread of antimicrobial resistance (AMR) genes. Among these, β-lactam resistance genes –encoding β-lactamases– stand as the most common resistance mechanism in Enterobacterales due to their frequent association with mobile genetic elements. In this context, novel approaches that counter mobile AMR are urgently needed. Collateral sensitivity (CS) occurs when the acquisition of resistance to one antibiotic increases susceptibility to another antibiotic and can be exploited to eliminate AMR selectively. However, most CS networks described so far emerge as a consequence of chromosomal mutations and cannot be leveraged to tackle mobile AMR. Here, we dissect the CS response elicited by the acquisition of a prevalent antibiotic resistance plasmid to reveal that the expression of the β-lactamase gene bla OXA-48 induces CS to colistin and azithromycin. We next show that other clinically relevant mobile β-lactamases produce similar CS responses in multiple, phylogenetically unrelated E. coli strains. Finally, by combining experiments with surveillance data comprising thousands of antibiotic susceptibility tests, we show that β-lactamase-induced CS is pervasive within Enterobacterales. These results highlight that the physiological side-effects of β-lactamases can be leveraged therapeutically, paving the way for the rational design of specific therapies to block mobile AMR or at least counteract their effects.

Major antibiotic groups are losing effectiveness due to the uncontrollable spread of antimicrobial resistance (AMR) genes. Among these, β-lactam resistance genes (encoding β-lactamases) stand as the most common resistance mechanism in Enterobacterales due to their frequent association with mobile genetic elements. In this context, novel approaches that counter mobile AMR are urgently needed. Collateral sensitivity (CS) occurs when the acquisition of resistance to one antibiotic increases susceptibility to another antibiotic and can be exploited to selectively eliminate AMR. However, most CS networks described so far emerge as a consequence of chromosomal mutations and cannot be leveraged to tackle mobile AMR. Here, we dissected the CS response elicited by the acquisition of a prevalent antibiotic resistance plasmid to reveal that the expression of the β-lactamase blaOXA-48 induces CS to colistin and azithromycin. We next showed that expression of other clinically relevant mobile β-lactamases produces similar CS responses in multiple, phylogenetically unrelated E. coli strains. Finally, by combining experiments with surveillance data comprising thousands of antibiotic susceptibility tests, we showed that β-lactamase-induced CS is pervasive within Enterobacterales. These results highlight that the physiological side-effects of β-lactamases can be leveraged therapeutically, paving the way for the rational design of specific therapies to block mobile AMR or at least counteract their effects.

Abstract Conjugative plasmids play a key role in the dissemination of antimicrobial resistance (AMR) genes across bacterial pathogens. AMR plasmids are widespread in clinical settings, but their distribution is not random, and certain associations between plasmids and bacterial clones are particularly successful. For example, the globally spread carbapenem resistance plasmid pOXA-48 can use a wide range of enterobacterial species as hosts, but it is usually associated with a small number of specific Klebsiella pneumoniae clones. These successful associations represent an important threat for hospitalized patients. However, knowledge remains limited about the factors determining AMR plasmid distribution in clinically relevant bacteria. Here, we combined in vitro and in vivo experimental approaches to analyze pOXA-48-associated AMR levels and conjugation dynamics in a collection of wild type enterobacterial strains isolated from hospitalized patients. Our results reveal significant variability in these traits across different bacterial hosts, with Klebsiella spp. strains showing higher pOXA-48-mediated AMR and conjugation frequencies than Escherichia coli strains. Using experimentally determined parameters, we developed a simple mathematical model to interrogate the contribution of AMR levels and conjugation permissiveness to plasmid distribution in bacterial communities. The simulations revealed that a small subset of clones, combining high AMR levels and conjugation permissiveness, play a critical role in stabilizing the plasmid in different polyclonal microbial communities. These results help to explain the preferential association of plasmid pOXA-48 with K. pneumoniae clones in clinical settings. More generally, our study reveals that species- and strain-specific variability in plasmid-associated phenotypes shape AMR evolution in clinically relevant bacterial communities. Significance statement Conjugative plasmids disseminate AMR genes across bacterial pathogens. Understanding the rules governing plasmid dynamics in bacterial communities is therefore crucial to controlling the global AMR crisis. In this study, we analyzed the dynamics of an AMR plasmid of great clinical relevance, pOXA-48, in a collection of wild type bacteria recovered from hospitalized patients. We reported a high degree of variability in two key plasmid-associated phenotypes, AMR level and conjugation ability, across the collection of clinical bacteria. Using simulations based on the experimental results, we studied how successful associations between AMR plasmids and clinical strains can arise in bacterial communities. Our results revealed that accounting for variability in plasmid-associated phenotypes help to understand the evolution of AMR in clinical settings.

Abstract In urinary tract infections different bacteria can live in a polymicrobial community, it is unknown how such community members affect the conjugation rate of uropathogenic Escherichia coli . We investigated the influence of the polymicrobial urinary tract infection (UTI) community context on the conjugation rate of E. coli isolates in artificial urine medium. Pairwise conjugation rate experiments were conducted between a donor E. coli strain containing pOXA-48 and six uropathogenic E. coli isolates in the presence and absence of five community members to elucidate their effect on the rate of conjugation. We found that the basal conjugation rates in the absence of community members are genotype dependent. Interestingly, bacterial interactions have an overall positive effect on E. coli conjugation rates. Particularly Gram-positive enterococcal species were found to enhance the conjugation rates of most uropathogenic E. coli isolates. We hypothesize that the nature and co-culture of the interactions is important for these increased conjugation rates in AUM.

Abstract Objectives The objective of this study was to investigate effects of large CTX-M-15-encoding IncF plasmids on the fitness of their native E. coli ST131 H30 Rx hosts in order to understand possible plasmid-host coevolution. Methods We selected five E. coli ST131 H30 Rx strains of diverse origin, each carrying a multireplicon IncF plasmid encoding the gene bla CTX-M-15 . The plasmid was eliminated from each isolate by displacement using an incompatible plasmid vector pMDP5_cureEC958. Whole-genome sequencing (WGS) was performed to obtain complete chromosome and plasmid sequences of wild-type isolates and to detect chromosomal mutations in plasmid-free strains. Competition assays were conducted to determine the relative fitness of plasmid-free clones compared to the corresponding wild-type isolates. Results We were able to successfully eliminate the IncF plasmids from all of the wild-type strains using the curing vector pMDP5_cureEC958. The chromosomes of plasmid-free clones contained zero to six point mutations. Plasmid-free strains of three isolates showed no significant difference in relative fitness compared to the corresponding plasmid-free strains. In the two remaining isolates, the plasmids produced a small but significant fitness cost. Conclusion We conclude that IncF plasmids produce moderate fitness effects in their E. coli ST131 H30 Rx hosts. This fitness compatibility is likely to promote the maintenance of antibiotic resistance in this worrisome E. coli lineage.