Abstract Background and objectives Treatments that inhibit the expression or functioning of bacterial virulence factors hold great promise to be both effective and exert weaker selection for resistance than conventional antibiotics. However, the evolutionary robustness argument, based on the idea that anti-virulence treatments disarm rather than kill pathogens, is controversial. Here we probe the evolutionary robustness of two repurposed drugs, gallium and flucytosine, targeting the iron-scavenging pyoverdine of the opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa . Methodology We subjected replicated cultures of bacteria to two concentrations of each drug for 20 consecutive days in human serum as an ex-vivo infection model. We screened evolved populations and clones for resistance phenotypes, including the restoration of growth and pyoverdine production, and the evolution of iron uptake by-passing mechanisms. We whole-genome sequenced evolved clones to identify the genetic basis of resistance. Results We found that mutants resistant against anti-virulence treatments readily arose, but their selective spreading varied between treatments. Flucytosine resistance quickly spread in all populations due to disruptive mutations in upp , a gene encoding an enzyme required for flucytosine activation. Conversely, resistance against gallium arose only sporadically, and was based on mutations in transcriptional regulators, upregulating pyocyanin production, a redox-active molecule promoting siderophore-independent iron acquisition. The spread of gallium resistance could be hampered because pyocyanin-mediated iron delivery benefits resistant and susceptible cells alike. Conclusions and implications Our work highlights that anti-virulence treatments are not evolutionarily robust per se . Instead, evolutionary robustness is a relative measure, with specific treatments occupying different positions on a continuous scale.

How unicellular organisms optimize the production of compounds is a fundamental biological question. While it is typically thought that production is optimized at the individual-cell level, secreted compounds could also allow for optimization at the group level, leading to a division of labor where a subset of cells produces and shares the compound with everyone. Using mathematical modelling, we show that the evolution of such division of labor depends on the cost function of compound production. Specifically, for any trait with saturating benefits, linear costs promote the evolution of uniform production levels across cells. Conversely, production costs that diminish with higher output levels favor the evolution of specialization - especially when compound shareability is high. When experimentally testing these predictions with pyoverdine, a secreted iron-scavenging compound produced by Pseudomonas aeruginosa, we found linear costs and, consistent with our model, detected uniform pyoverdine production levels across cells. We conclude that for shared compounds with saturating benefits, the evolution of division of labor is facilitated by a diminishing cost function. More generally, we note that shifts in the level of selection from individuals to groups do not solely require cooperation, but critically depend on mechanistic factors, including the distribution of compound synthesis costs.

Given the rise of bacterial resistance against antibiotics, we urgently need alternative strategies to fight infections. Some propose we should disarm rather than kill bacteria, through targeted disruption of their virulence factors. It is assumed that this approach (i) induces weak selection for resistance because it should only minimally impact bacterial fitness, and (ii) is specific, only interfering with the virulence factor in question. Given that pathogenicity emerges from complex interactions between pathogens, hosts, and their environment, such assumptions may be unrealistic. To address this issue in a test case, we conducted experiments with the opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa, where we manipulated the availability of a virulence factor, the iron-scavenging pyoverdine, within the insect host Galleria mellonella. We observed that pyoverdine availability was not stringently predictive of virulence, and affected bacterial fitness in non-linear ways. We show that this complexity could partly arise because pyoverdine availability affects host responses and alters the expression of regulatorily linked virulence factors. Our results reveal that virulence-factor manipulation feeds back on pathogen and host behavior, which in turn affects virulence. Our findings highlight that realizing effective and evolutionarily robust anti-virulence therapies will ultimately require deeper engagement with the intrinsic complexity of host-pathogen systems.

Bacteria secrete a variety of compounds important for nutrient scavenging, competition mediation and infection establishment. While there is a general consensus that secreted compounds can be shared and therefore have social consequences for the bacterial collective, we know little about the physical limits of such bacterial social interactions. Here, we address this issue by studying the sharing of iron-scavenging siderophores between surface-attached microcolonies of the bacterium Pseudomonas aeruginosa. Using single-cell fluorescent microscopy, we show that siderophores, secreted by producers, quickly reach non-producers within a range of 100 μm, and significantly boost their fitness. Producers in turn respond to variation in sharing efficiency by adjusting their pyoverdine investment levels. These social effects wane with larger cell-to-cell distances and on hard surfaces. Thus, our findings reveal the boundaries of compound sharing, and show that sharing is particularly relevant between nearby yet physically separated bacteria on soft surfaces, matching realistic natural conditions.