There is an unmet need for pre-clinical models to understand the pathogenesis of human respiratory viruses; and predict responsiveness to immunotherapies. Airway organoids can serve as an ex-vivo human airway model to study respiratory viral pathogenesis; however, they rely on invasive techniques to obtain patient samples. Here, we report a non-invasive technique to generate human nose organoids (HNOs) as an alternate to biopsy derived organoids. We made air liquid interface (ALI) cultures from HNOs and assessed infection with two major human respiratory viruses, respiratory syncytial virus (RSV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Infected HNO-ALI cultures recapitulate aspects of RSV and SARS-CoV-2 infection, including viral shedding, ciliary damage, innate immune responses, and mucus hyper-secretion. Next, we evaluated the feasibility of the HNO-ALI respiratory virus model system to test the efficacy of palivizumab to prevent RSV infection. Palivizumab was administered in the basolateral compartment (circulation) while viral infection occurred in the apical ciliated cells (airways), simulating the events in infants. In our model, palivizumab effectively prevented RSV infection in a concentration dependent manner. Thus, the HNO-ALI model can serve as an alternate to lung organoids to study respiratory viruses and testing therapeutics.

Abstract Background & Aims Human intestinal epithelial organoids (enteroids and colonoids) are tissue cultures used for understanding the physiology of the intestinal epithelium. Here, we explored the effect on the transcriptome of common variations in culture methods, including extracellular matrix substrate, format, tissue segment, differentiation status, and patient heterogeneity. Methods RNA-sequencing datasets from 251 experiments performed on 35 human enteroid and colonoid lines from 28 patients were aggregated from several groups in the Texas Medical Center. DESeq2 and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) was used to identify differentially expressed genes and enriched of pathways. Results PERMANOVA, Pearson correlations, and dendrogram analysis of all data indicated three tiers of influence of culture methods on transcriptomic variation: substrate (collagen vs. Matrigel) and format (3D, transwell, and monolayer) had the largest effect (7,271-1,305 differentially expressed genes-DEGs); segment of origin (duodenum, jejunum, ileum, colon) and differentiation status had a moderate effect (5,977-420 DEGs), and patient heterogeneity and specific experimental manipulations (e.g., pathogen infection) had the smallest effect. GSEA identified hundreds of pathways that varied between culture methods, such as IL1 cytokine signaling enriched in transwell vs. monolayer cultures, and cholesterol biosynthesis genes enriched in Matrigel vs. collagen cultures. Conclusions Surprisingly large differences in organoid transcriptome were driven by variations in culture methods such as format and substrate, whereas experimental manipulations such as infection had modest effects. These results show that common variations in culture conditions can have large effects on intestinal organoids and should be accounted for when designing experiments and comparing results between laboratories. Our data constitute the largest RNA-seq dataset interrogating human intestinal organoids.

Abstract The human mucosal surface consists of a eukaryotic epithelium, a prokaryotic microbiota, and a carbohydrate-rich interface that separates them. Bacteriophage parasitize the prokaryotes but are not known to associate with eukaryotic cells. In the gastrointestinal tract, the interaction of these two domains influences the health of the host, especially colonization with invasive pathobionts. Antibiotics may be used but they also kill protective commensals and lack the physio-chemical properties to be specifically and optimally active in this complex milieu. Here, we report a novel phage whose lytic cycle is enhanced in intestinal environments. The enhanced activity is encoded in its tail fiber gene, whose protein product binds human heparan sulfated proteoglycans and localizes the phage to the epithelial cell surface, thereby positioning it near its bacterial host, a type of locational targeting mechanism. This finding offers the prospect of developing epithelial-targeting phage to selectively remove invasive pathobiont species from mucosal surfaces. Graphical Abstract Model showing (1) mucins from the intestinal mucus layer inhibit phage infection, (2) phage ES17 can bind to mucin and utilize other intestinal glycans as a receptor to infect and kill mucus-coated bacteria, and (3) phages like ES17 can be utilized to coat the intestinal epithelium by binding heparan sulfate glycans to protect from invasive pathogen infection.

Interactions between microbiota and enteric pathogens can promote colonization resistance or enhance pathogenesis. The pathobiont Enterococcus faecalis increases enterohaemorrhagic E. coli (EHEC) virulence by upregulating Type 3 Secretion System (T3SS) expression, effector translocation, and attaching and effacing (AE) lesion formation on enterocytes, but the mechanisms underlying this remain unknown. Using co-infection of organoids, metabolomics, supplementation experiments and bacterial genetics, here we show that co-culture of EHEC with E. faecalis increases the xanthine-hypoxanthine pathway activity and adenine biosynthesis. Adenine or E. faecalis promoted T3SS gene expression, while transcriptomics showed upregulation of adeP expression, which encodes an adenine importer. Mechanistically, adenine relieved High hemolysin activity (Hha)-dependent repression of T3SS gene expression in EHEC and promoted AE lesion formation in an AdeP-dependent manner. Microbiota-derived purines, such as adenine, support multiple beneficial host responses; however, our data show that this metabolite also increases EHEC virulence, highlighting the complexity of pathogen-microbiota-host interactions in the gut.

ABSTRACT Urinary tract infections (UTIs) are among the most common infections treated worldwide each year and are primarily caused by uropathogenic E. coli (UPEC). Rising rates of antibiotic resistance among uropathogens have spurred consideration of alternative strategies such as bacteriophage (phage) therapy; however, phage-bacterial interactions within the urinary environment are poorly defined. Here, we assess the activity of two phages, HP3 and ES17, against clinical UPEC isolates using in vitro and in vivo models of UTI. In both bacteriologic medium and pooled human urine, we identified phage resistance arising within the first 6-8 hours of coincubation. Whole genome sequencing revealed that UPEC resistant to HP3 and ES17 harbored mutations in genes involved in lipopolysaccharide (LPS) biosynthesis. These mutations coincided with several in vitro phenotypes, including alterations to adherence to and invasion of human bladder epithelial HTB-9 cells, and increased biofilm formation. Interestingly, these phage-resistant UPEC demonstrated reduced growth in pooled human urine, which could be partially rescued by nutrient supplementation, and were more sensitive to several outer membrane targeting antibiotics than parental strains. Additionally, these phage-resistant UPEC were attenuated in a murine UTI model. In total, our findings suggest that while resistance to phages, such as LPS-targeted HP3 and ES17, may readily arise in the urinary environment, phage resistance is accompanied by fitness costs rendering UPEC more susceptible to host immunity or antibiotics. IMPORTANCE UTIs are one of the most common causes of outpatient antibiotic use, and rising antibiotic resistance threatens the ability to control these infections unless alternative treatments are developed. Bacteriophage (phage) therapy is gaining renewed interest, however, much like antibiotics, bacteria can readily become resistant to phage. For successful UTI treatment, we must predict how bacteria will evade killing by phage and identify the downstream consequences of phage-resistant bacterial infections. In our current study, we found that while phage-resistant mutant bacteria quickly emerged, these mutations left bacteria less capable of growing in human urine and colonizing the murine bladder. These results suggest that phage therapy poses a viable UTI treatment if phage resistance confers fitness costs for the uropathogen. These results have implications for developing cocktails of phage with multiple different bacterial targets, each of which is only evaded at the cost of bacterial fitness.

ABSTRACT Despite many efforts to understand and leverage the functional potential of environmental viromes, most bacteriophage genes are largely uncharacterized. To explore novel biology from uncultivated microbes like phages, metagenomics has emerged as a powerful tool to directly mine new genes without the need to culture the diverse microbiota and the viruses within. When a pure computational approach cannot infer gene function, it may be necessary to create a DNA library from environmental genomic DNA, followed by the screening of that library for a particular function. However, these screens are often initiated without a metagenomic analysis of the completed DNA library being reported. Here, we describe the construction and characterization of DNA libraries from a single cultured phage (ΦT4), five cultured Escherichia coli phages, and three metagenomic viral sets built from freshwater, seawater, and wastewater samples. Through next-generation sequencing of five independent samplings of the libraries, we found a consistent number of recovered genes per replicate for each library, with many genes classifiable via the KEGG and Pharokka databases. By characterizing the size of the genes and inserts, we found that our libraries contain a median of one to two genes per contig with a median gene length of 303–381 bp for all libraries, reflective of the small genomes of viruses. The environmental libraries were genetically diverse compared to the single phage and multi-phage libraries. Additionally, we found reduced coverage of individual genomes when five phages were used as opposed to one. Taken together, this work provides a comprehensive analysis of the DNA libraries from phage genomes that can be used for metagenomic exploration and functional screens to infer and identify new biology. IMPORTANCE Functional metagenomics is an approach that aims to characterize the putative biological function of genes in the microbial world. This includes an examination of the sequencing data collected from a pooled source of diverse microbes and inference of gene function by comparison to annotated and studied genes from public databases. At times, DNA libraries are made from these genes, and the library is screened for a specific function. Hits are validated using a combination of biological, computational, and structural analysis. Left unresolved is a detailed characterization of the library, both its diversity and content, for the purposes of imputing function entirely by computational means, a process that may yield findings that aid in designing useful screens to identify novel gene functions. In this study, we constructed libraries from cultured phages and uncultured viromes from the environment and characterized some important parameters, such as gene number, genes per contig, ratio of hypothetical to known proteins, total genomic coverage and recovery, and the effect of pooling genetic information from multiple sources, to provide a better understanding of the nature of these libraries. This work will aid the design and implementation of future screens of pooled DNA libraries to discover and isolate viral genes with novel biology across various biomes.

The continued rise in antibiotic resistance is precipitating a medical crisis. Bacteriophage (phage) has been hailed as one possible therapeutic option to augment the efficacy of antibiotics. However, only a handful of studies have addressed the synergistic relationship between phage and antibiotics. Here, we report a comprehensive analysis of phage-antibiotic interaction that evaluates synergism, additivism, and antagonism for all classes of antibiotics across clinically achievable stoichiometries. We combined an optically-based real-time microtiter plate readout with a matrix-like heatmap of treatment potencies to measure phage and antibiotic synergy (PAS), a process we term synography. Phage-antibiotic synography was performed against a pandemic drug-resistant clonal group of E. coli (ExPEC) with antibiotic levels blanketing the minimum inhibitor concentration (MIC) across seven orders of viral titers. Our results suggest that, under certain conditions, phages provide an adjuvating effect by lowering the MIC for drug-resistant strains. Furthermore, synergistic and antagonistic interactions are highly dependent on the mechanism of bacterial inhibition by the class of antibiotic paired to the phage, and when synergism is observed, it suppresses the emergence of resistant cells. Host conditions that simulate the infection environment, including serum and urine, suppress PAS in a bacterial growth-dependent manner. Lastly, phage burst size seems to be a significant driver of synergism. Collectively, this data suggests lytic phages can resuscitate an ineffective antibiotic for previously resistant bacteria, while also synergize with antibiotics in a class-dependent manner, processes that may be dampened by lower bacterial growth rates found in host environments.

Abstract Extraintestinal pathogenic E. coli (ExPEC) is the primary Gram-negative bacterial pathogen, and the leading cause of life-threatening sepsis and urinary tract infections (UTI) in adults. The emergence and increasing prevalence of multidrug-resistance (MDR) ExPEC strains have led to considerable treatment failures, increased hospitalization rates, morbidity, and mortality. A prophylactic vaccine against ExPEC has the potential to reduce severe infection-related morbidity and mortality, helping to address the escalating antimicrobial resistance (AMR) crisis worldwide. The α-hemolysin (HlyA) is a critical, frequently detected secreted cytotoxic virulence factor in ExPEC, with HlyA-expressing ExPEC strains correlating with increased severity and infection dissemination in clinical levels. In this study, we assessed the protective efficacy of pro-HlyA (the inactive and immature precursor of HlyA) and Dual-Hit (a combination of pro-HlyA and SinH-3, the previously reported immunoglobulin-like domain-3 of the invasin-like autotransporter protein SinH), as ExPEC vaccine candidates. We demonstrated that immunizing mice with pro-HlyA or Dual-Hit significantly reduced bacterial burden and increased survival rates against pandemic ExPEC sequence type strains, ST73 (CFT073) and ST95 (UTI89), in the model of bacteremia and mortality. Both pro-HlyA or Dual-Hit immunizations also provided significant protection against UTI89 colonization in the bladder in the murine UTI model. Furthermore, vaccination with Dual-Hit provided enduring and robust protection against a mixture of ten typical high-virulent sequence types of ExPEC strains, resulting in a promising broad-spectrum vaccine candidate. These findings suggest that pro-HlyA and Dual-Hit might serve as highly effective vaccine targets and highlight the potential of these vaccine candidates for further development and evaluation.

Abstract The scale of plastic pollution boggles the mind. Nearly 400 megatons of virgin plastics are produced annually, with an environmental release rate of 80 percent; and plastic waste including micro- and nanoplastics are associated with a plethora of problems. The naturally evolved abilities of plastic-degrading and consuming microbes offer a starting point for generating sustainable and eco-centric solutions to plastic pollution. Here we developed an iterative discovery procedure coupling faster quasi-high-throughput polyethylene terephthalate (PET) dependent bioactivity screens with longer-term PET biodegradation assays to find small molecule and ionic boosters of PET consumption by the bacterium Piscinibacter sakaiensis . We discovered multiple hits supporting greater than 2-fold enhancement of PET biodegradation – with hits belonging to a small but heterogeneous set of compounds and mixtures, suggesting upregulation of PET consumption via multiple paths. This work has the potential to advance the creation of a fermentation-based process for solving PET plastic pollution. Importance Plastic pollution is an urgent environmental issue. In addition, micro- and nanoplastics (MNPs) have become an acute source of worry with discoveries of the global distribution and transport of MNPs, their presence within a diversity of organisms including common foodstuffs and human tissues, and their potential association with declining fertility and various disease states. Solutions are needed and the microbial world offers abundant help via naturally evolved biodegraders of plastic waste. We created a non-genetic method to accelerate polyethylene terephthalate (PET) plastic biodegradation by Piscinibacter sakaiensis , a bacterium that evolved to slowly but completely consume PET. Our method entails a combination of plastic-dependent bioactivity screens and slower biodegradation tests to find extrinsic biochemical stimulators of PET biodegradation. The conditions we found boost PET biodegradation by over two-fold and provide a foundation for further studies to realize a fermentation-based process needed to solve PET plastic pollution.

Abstract Pathogenic bacteria take host nutrients to support their growth, division, survival, and pathogenesis. The genus Bacillus includes species with diverse natural histories, including free-living nonpathogenic heterotrophs such as B. subtilis and host-dependent pathogens such as B. anthracis (the etiological agent of the disease anthrax) and B. cereus , a cause of food poisoning. Although highly similar genotypically, the ecological niches of these three species are mutually exclusive, which raises the untested hypothesis that their metabolism has speciated along a nutritional tract. Here, we employed a quantitative measurement of the number of reducing equivalents as a function of growth on hundreds of different sources of carbon to gauge the “culinary preferences” of three distinct Bacillus species, and related Staphylococcus aureus . We show that each species had widely varying metabolic ability to utilize diverse sources of carbon that correlated to their ecological niches. In addition, carbohydrates are shown to be the preferred sources of carbon when grown under ideal in vitro conditions. Rather unexpectedly, these metabolic utilizations did not correspond one-to-one with an increase in biomass, which brings to question what cellular activity should be considered productive when it comes to virulence. Finally, we applied this system to the growth and survival of B. anthracis in a blood-based environment and find that amino acids become the preferred source of energy while demonstrating the possibility of applying this approach to identifying xenobiotics or host compounds that can promote or interfere with bacterial metabolism during infection. Author summary Successful organisms must make nutritional adaptations to thrive in their environment. Bacterial pathogens are no exception, having evolved for survival inside their hosts. The host combats these pathogens by depriving them of potential biochemical resources, termed nutritional immunity. This places pathogens under pressure to utilize their resources efficiently and strategically, and their metabolism must in turn be tailored for this situation. In this study, we examined the carbon metabolism of three human pathogens of varying virulence ( Bacillus anthracis, Bacillus cereus , and Staphylococcus aureus ) and one nonpathogenic Bacillus ( Bacillus subtilis ) via a phenotype microarray that senses reducing equivalents produced during metabolism. Our analysis shows the existence of distinct preferences by these pathogens towards only a select few carbohydrates and implies reliance on specific metabolic pathways. These metabolic signatures obtained could be distinguished from one bacterial species to another, and we conclude that nutrient preferences offer a new perspective into investigating how pathogens can thrive during infection despite host-induced starvation.