Type 1 fimbriae are adhesion organelles expressed by many Gram-negative bacteria. They facilitate adherence to mucosal surfaces and inflammatory cells in vitro, but their contribution to virulence has not been defined. This study presents evidence that type 1 fimbriae increase the virulence of Escherichia coli for the urinary tract by promoting bacterial persistence and enhancing the inflammatory response to infection. In a clinical study, we observed that disease severity was greater in children infected with E. coli O1:K1:H7 isolates expressing type 1 fimbriae than in those infected with type 1 negative isolates of the same serotype. The E. coli O1:K1:H7 isolates had the same electrophoretic type, were hemolysin-negative, expressed P fimbriae, and carried the fim DNA sequences. When tested in a mouse urinary tract infection model, the type 1-positive E. coli O1:K1:H7 isolates survived in higher numbers, and induced a greater neutrophil influx into the urine, than O1:K1:H7 type 1-negative isolates. To confirm a role of type 1 fimbriae, a fimH null mutant (CN1016) was constructed from an O1:K1:H7 type 1-positive parent. E. coli CN1016 had reduced survival and inflammatogenicity in the mouse urinary tract infection model. E. coli CN1016 reconstituted with type 1 fimbriae (E. coli CN1018) had restored virulence similar to that of the wild-type parent strain. These results show that type 1 fimbriae in the genetic background of a uropathogenic strain contribute to the pathogenesis of E. coli in the urinary tract.

Summary It is now apparent that microorganisms undergo significant changes during the transition from planktonic to biofilm growth. These changes result in phenotypic adaptations that allow the formation of highly organized and structured sessile communities, which possess enhanced resistance to antimicrobial treatments and host immune defence responses. Escherichia coli has been used as a model organism to study the mechanisms of growth within adhered communities. In this study, we use DNA microarray technology to examine the global gene expression profile of E. coli during sessile growth compared with planktonic growth. Genes encoding proteins involved in adhesion (type 1 fimbriae) and, in particular, autoaggregation (Antigen 43) were highly expressed in the adhered population in a manner that is consistent with current models of sessile community development. Several novel gene clusters were induced upon the transition to biofilm growth, and these included genes expressed under oxygen‐limiting conditions, genes encoding (putative) transport proteins, putative oxidoreductases and genes associated with enhanced heavy metal resistance. Of particular interest was the observation that many of the genes altered in expression have no current defined function. These genes, as well as those induced by stresses relevant to biofilm growth such as oxygen and nutrient limitation, may be important factors that trigger enhanced resistance mechanisms of sessile communities to antibiotics and hydrodynamic shear forces.

Escherichia coli sequence type 131 (ST131) is a globally disseminated, multidrug resistant (MDR) clone responsible for a high proportion of urinary tract and bloodstream infections. The rapid emergence and successful spread of E. coli ST131 is strongly associated with several factors, including resistance to fluoroquinolones, high virulence gene content, the possession of the type 1 fimbriae FimH30 allele, and the production of the CTX-M-15 extended spectrum β-lactamase (ESBL). Here, we used genome sequencing to examine the molecular epidemiology of a collection of E. coli ST131 strains isolated from six distinct geographical locations across the world spanning 2000-2011. The global phylogeny of E. coli ST131, determined from whole-genome sequence data, revealed a single lineage of E. coli ST131 distinct from other extraintestinal E. coli strains within the B2 phylogroup. Three closely related E. coli ST131 sublineages were identified, with little association to geographic origin. The majority of single-nucleotide variants associated with each of the sublineages were due to recombination in regions adjacent to mobile genetic elements (MGEs). The most prevalent sublineage of ST131 strains was characterized by fluoroquinolone resistance, and a distinct virulence factor and MGE profile. Four different variants of the CTX-M ESBL-resistance gene were identified in our ST131 strains, with acquisition of CTX-M-15 representing a defining feature of a discrete but geographically dispersed ST131 sublineage. This study confirms the global dispersal of a single E. coli ST131 clone and demonstrates the role of MGEs and recombination in the evolution of this important MDR pathogen.

Summary Mannose‐binding type 1 pili are important virulence factors for the establishment of Escherichia coli urinary tract infections (UTIs). These infections are initiated by adhesion of uropathogenic E. coli to uroplakin receptors in the uroepithelium via the FimH adhesin located at the tips of type 1 pili. Blocking of bacterial adhesion is able to prevent infection. Here, we provide for the first time binding data of the molecular events underlying type 1 fimbrial adherence, by crystallographic analyses of the FimH receptor binding domains from a uropathogenic and a K‐12 strain, and affinity measurements with mannose, common mono‐ and disaccharides, and a series of alkyl and aryl mannosides. Our results illustrate that the lectin domain of the FimH adhesin is a stable and functional entity and that an exogenous butyl α‐ d ‐mannoside, bound in the crystal structures, exhibits a significantly better affinity for FimH (K d = 0.15 µM) than mannose (K d = 2.3 µM). Exploration of the binding affinities of α‐ d ‐mannosides with longer alkyl tails revealed affinities up to 5 nM. Aryl mannosides and fructose can also bind with high affinities to the FimH lectin domain, with a 100‐fold improvement and 15‐fold reduction in affinity, respectively, compared with mannose. Taken together, these relative FimH affinities correlate exceptionally well with the relative concentrations of the same glycans needed for the inhibition of adherence of type 1 piliated E. coli . We foresee that our findings will spark new ideas and initiatives for the development of UTI vaccines and anti‐adhesive drugs to prevent anticipated and recurrent UTIs.

Abstract Cyclic ADP ribose (cADPR) isomers are important signaling molecules produced by bacterial and plant Toll/interleukin-1 receptor (TIR) domains via NAD + hydrolysis, yet their chemical structures are unknown. We show that v-cADPR (2’cADPR) and v2-cADPR (3’cADPR) isomers are cyclized by O -glycosidic bond formation between the ribose moieties in ADPR. Structures of v-cADPR (2’cADPR)-producing TIR domains reveal that conformational changes are required for the formation of the active assembly that resembles those of Toll-like receptor adaptor TIR domains, and mutagenesis data demonstrate that a conserved tryptophan is essential for cyclization. We show that v2-cADPR (3’cADPR) is a potent activator of ThsA effector proteins from Thoeris anti-phage defence systems and is responsible for suppression of plant immunity by the effector HopAM1. Collectively, our results define new enzymatic activities of TIR domains, reveal the molecular basis of cADPR isomer production, and establish v2-cADPR (3’cADPR) as an antiviral signaling molecule and an effector-mediated signaling molecule for plant immunity suppression. One-Sentence Summary The chemical structures of two O -glycosidic bond-containing cyclic ADP ribose isomers, the molecular basis of their production, and their function in antiviral and plant immunity suppression by bacteria are reported.

Abstract Escherichia coli Sequence Type (ST)101 is an emerging, multi-drug resistant lineage associated with carbapenem resistance. We recently completed a comprehensive genomics study on mobile genetic elements (MGEs) and their role in bla NDM-1 dissemination within the ST101 lineage. DNA methyltransferases (MTases) are also frequently associated with MGEs, with DNA methylation guiding numerous biological processes including genomic defence against foreign DNA and regulation of gene expression. The availability of Pacific Biosciences Single Molecule Real Time Sequencing data for seven ST101 strains enabled us to investigate the role of DNA methylation on a genome-wide scale (methylome). We defined the methylome of two complete (MS6192 and MS6193) and five draft (MS6194, MS6201, MS6203, MS6204, MS6207) ST101 genomes. Our analysis identified 14 putative MTases and eight N6-methyladenine DNA recognition sites, with one site that has not been described previously. Furthermore, we identified a Type I MTase encoded within a Transposon 7-like Transposon and show its acquisition leads to differences in the methylome between two almost identical isolates. Genomic comparisons with 13 previously published ST101 draft genomes identified variations in MTase distribution, consistent with MGE differences between genomes, highlighting the diversity of active MTases within strains of a single E. coli lineage. It is well established that MGEs can contribute to the evolution of E. coli due to their virulence and resistance gene repertoires. This study emphasises the potential for mobile genetic elements to also enable highly similar bacterial strains to rapidly acquire genome-wide functional differences via changes to the methylome. Impact Statement Escherichia coli ST101 is an emerging human pathogen frequently associated with carbapenem resistance. E. coli ST101 strains carry numerous mobile genetic elements that encode virulence determinants, antimicrobial resistance, and DNA methyltransferases (MTases). In this study we provide the first comprehensive analysis of the genome-wide complement of DNA methylation (methylome) in seven E. coli ST101 genomes. We identified a Transposon carrying a Type I restriction modification system that may lead to functional differences between two almost identical genomes and showed how small recombination events at a single genomic region can lead to global methylome changes across the lineage. We also showed that the distribution of MTases throughout the ST101 lineage was consistent with the presence or absence of mobile genetic elements on which they are encoded. This study shows the diversity of MTases within a single bacterial lineage and shows how strain and lineage-specific methylomes may drive host adaptation. Data Summary Sequence data including reads, assemblies and motif summaries have previously been submitted to the National Center for Biotechnology Information ( https://www.ncbi.nlm.nih.gov ) under the BioProject Accessions: PRJNA580334, PRJNA580336, PRJNA580337, PRJNA580338, PRJNA580339, PRJNA580341 and PRJNA580340 for MS6192, MS6193, MS6194, MS6201, MS6203, MS6204 and MS6207 respectively. All supporting data, code, accessions, and protocols have been provided within the article or through supplementary data files.

Abstract Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae (CRE) represent one of the most urgent threats to human health posed by antibiotic resistant bacteria. Enterobacter hormaechei and other members of the Enterobacter cloacae complex are the most commonly encountered Enterobacter spp. within clinical settings, responsible for numerous outbreaks and ultimately poorer patient outcomes. Here we applied three complementary whole genome sequencing (WGS) technologies to characterise a hospital cluster of bla IMP-4 carbapenemase-producing E. hormaechei . In response to a suspected CRE outbreak in 2015 within an Intensive Care Unit (ICU)/Burns Unit in a Brisbane tertiary referral hospital we used Illumina sequencing to determine that all outbreak isolates were sequence type (ST)90 and near-identical at the core genome level. Comparison to publicly available data unequivocally linked all 10 isolates to a 2013 isolate from the same ward, confirming the hospital environment as the most likely original source of infection in the 2015 cases. No clonal relationship was found to IMP-4-producing isolates identified from other local hospitals. However, using Pacific Biosciences long-read sequencing we were able to resolve the complete context of the bla IMP-4 gene, which was found to be on a large IncHI2 plasmid carried by all IMP-4-producing isolates. Continued surveillance of the hospital environment was carried out using Oxford Nanopore long-read sequencing, which was able to rapidly resolve the true relationship of subsequent isolates to the initial outbreak. Shotgun metagenomic sequencing of environmental samples also found evidence of ST90 E. hormaechei and the IncHI2 plasmid within the hospital plumbing. Overall, our strategic application of three WGS technologies provided an in-depth analysis of the outbreak, including the transmission dynamics of a carbapenemase-producing E. hormaechei cluster, identification of possible hospital reservoirs and the full context of bla IMP-4 on a multidrug resistant IncHI2 plasmid that appears to be widely distributed in Australia.

Antimicrobial resistance is an escalating threat with few new therapeutic options in the pipeline. Urinary tract infections (UTIs) are one of the most prevalent bacterial infections globally and are prone to becoming recurrent and antibiotic resistant. We discovered and characterized six novel Autographiviridae and Guernseyvirinae bacterial viruses (phage) against uropathogenic Escherichia coli (UPEC), a leading cause of UTIs. The phage genomes were between 39,471 bp - 45,233 bp, with 45.0% - 51.0% GC%, and 57 - 84 predicted coding sequences per genome. We show that tail fiber domain structure, predicted host capsule type, and host antiphage repertoire correlate with phage host range. In vitro characterisation of phage cocktails showed synergistic improvement against a mixed UPEC strain population and when sequentially dosed. Together, these phage are a new set extending available treatments for UTI from UPEC, and phage vM_EcoM_SHAK9454 represents a promising candidate for further improvement through engineering.

Abstract Oxford Nanopore Technology (ONT) long-read sequencing has become a popular platform for microbial researchers; however, easy and automated construction of high-quality bacterial genomes remains challenging. Here we present MicroPIPE: a reproducible end-to-end bacterial genome assembly pipeline for ONT and Illumina sequencing. To construct MicroPIPE, we evaluated the performance of several tools for genome reconstruction and assessed overall genome accuracy using ONT both natively and with Illumina. Further validation of MicroPIPE was carried out using 11 sequence type (ST)131 Escherichia coli and eight publicly available Gram-negative and Gram-positive bacterial isolates. MicroPIPE uses Singularity containers and the workflow manager Nextflow and is available at https://github.com/BeatsonLab-MicrobialGenomics/micropipe .

Background: OXA-48-like carbapenemases have become increasingly prevalent in healthcare settings worldwide. Their low-level activity against carbapenems makes them difficult to identify, causing problems for infection control. Here we present an outbreak of Escherichia coli producing OXA-181 (part of the OXA-48 family of carbapenemases) in a Queensland Hospital, and describe how we used whole genome sequencing (WGS) to identify the outbreak strain, determine the extent of transmission within the hospital and support infection control responses. Methods: 116 isolates were collected and sequenced on an Illumina NextSeq to determine species, sequence type (ST) and presence of resistance genes. Core single nucleotide polymorphisms were used to determine strain relatedness. Three isolates were also sequenced on an Oxford Nanopore MinION to determine the context of the resistance genes. Results: Of 116 isolates, 85 (84 E. coli and one K. pneumoniae) from 78 patients (and two environmental sources) were related to the ongoing outbreak. The outbreak E. coli strain was found to be ST38 and carried blaOXA-181, blaCTX-M-15 and qnrS1 genes. Long read sequencing revealed blaOXA-181 to be carried on an IncX3 plasmid with qnrS1. blaCTX-M-15 was chromosomally integrated (via ISEcp1 insertion) in close proximity to a second qnrS1 gene. A search of the laboratory database identified an isolate with an identical unusual antibiogram from a patient recently admitted to a hospital in Vietnam, suggesting that the strain was introduced to the hospital. This conclusion was supported by WGS, as comparison of the strain to public data identified a close match to an E. coli recovered from Vietnam in 2011. Conclusion: A blaOXA-181-carrying E. coli ST38 strain was introduced to a Brisbane hospital and spread undetected throughout multiple wards over several months. Using WGS, we characterized the outbreak strain and unambiguously detected its presence throughout the hospital. We show how both WGS and infection control measures can be utilized to effectively terminate widespread transmission of an elusory pathogen.