Abstract The increased incidence of antibiotic resistance and declining discovery of new antibiotics have created a global health crisis, especially for the treatment of infections caused by Gram-negative bacteria. Here, we identify and characterize a molecule, NM102, that displays antimicrobial activity exclusively in the context of infection. NM102 inhibits the activity of the non-essential Mutation Frequency Decline (Mfd) protein by competing with ATP binding to its active site. Inhibition of Mfd by NM102 sensitizes pathogenic bacteria to the host immune response and blocks infections with clinically- relevant Klebsiella pneumoniae and Pseudomonas aeruginosa , without inducing host toxicity. Finally, NM102 inhibits the function of Mfd as a mutation and evolvability factor, thus reducing the bacterial capacity to develop antimicrobial resistance. These data provide a potential roadmap to expand the arsenal of drugs to combat antimicrobial resistance. Highlight NM102 is a “first in class” molecule specifically targeting the active site of the bacterial Mfd protein NM102 has a new mode of action: it inhibits Mfd function during immune stress response NM102 also inhibits Mfd evolvability function and thereby decreases bacterial resistance to known antibiotics NM102 effectively treats Gram-negative infections in animal models NM102 is efficient against clinically relevant resistant bacteria and provides an increased efficacy in combination with the β-lactam meropenem

Contamination by industrial and agricultural chemicals like pesticides are a cause of great concern due to the risk to human and environmental health. While these chemicals are often considered to have restricted activity and are labelled as such, there are concerns over a broader toxicity range. Here we report the impact of 1076 pollutants spanning diverse chemistries and indicated applications on 22 prevalent commensal gut bacteria. Our systematic investigation uncovered 588 interactions involving 168 chemicals, the majority of which were not previously reported to have antibacterial properties. Fungicides and industrial chemicals showed the largest impact with circa 30% exhibiting anti-commensal properties. We find that the sensitivity to chemical pollutants across species surprisingly correlates with that to human-targeted drugs, suggesting common susceptibility mechanisms. Using a genome-wide chemical-genetic screen, we identified membrane transport and fatty acid metabolism as major modulators of the off-target toxicity of chemicals. Mutants exhibiting chemical resistance include those defective in producing human-health-relevant metabolites like branched short-chain fatty acids, indicating that chronic exposure could lead to selection against production of beneficial metabolites. Toxicokinetic modelling suggested gut bacteria could be used as more sensitive in vitro toxicity indicators for chemicals of concern than animal models. Together, our data uncovers the off-target activity of industrial and agricultural chemicals with widespread exposure against human gut bacteria. Impact on the structure and function of the microbiota should therefore be considered in assessing chemical safety.

Per- and polyfluoroalkyl Substances (PFAS) - the so-called 'forever chemicals' - are a major cause of environmental and health concern due to their toxicity and long-term persistence[1,2]. Yet, no efficient mechanisms for their removal have been identified. Here we report bioaccumulation of PFAS by several gut bacterial species over a wide range of concentrations from nanomolar up to 500 μM. For bioaccumulating Bacteroides uniformis , a highly prevalent species, we estimate intracellular PFAS concentration in the mM range - above that of most native metabolites. Despite this high bioaccumulation, B. uniformis cells could grow appreciably up to 250 μM perfluorononanoic acid (PFNA) exposure. Escherichia coli , which accumulated PFAS to a much lesser extent, substantially increased PFAS bioaccumulation when lacking TolC efflux pump indicating trans-membrane transport in PFAS bioaccumulation. Electron microscopy and cryogenic Focused Ion Beam-Secondary Ion Mass-spectrometry revealed distinct morphological changes and intracellular localisation of PFNA aggregates. Bioaccumulation of PFAS and transmembrane transport is also evident in proteomics, metabolomics, thermal proteome profiling, and mutations following adaptive laboratory evolution. In an in vivo context, mice colonized with human gut bacteria showed, compared to germ-free controls or those colonized with low-bioaccumulating bacteria, higher PFNA levels in excreted feces. As the gut microbiota is a critical interface between exposure and human body, our results have implications for understanding and utilizing microbial contribution to PFAS clearance.

Non-antibiotic drugs can alter the composition of the gut microbiome, with largely undefined implications for human health. Here we compared the susceptibility of commensal and pathogenic bacteria to non-antibiotic drugs and found that pathogens show higher drug resistance, which could favor their expansion after treatment. We then developed a model system to screen for drug-microbiome interactions that increase the risk of enteropathogenic infections. Approximately 35% of the >50 drugs we tested increased the abundance of Salmonella Typhimurium in synthetic and human stool-derived microbial communities. This was due to direct effects of non-antibiotics on individual commensals, altered microbial interactions within communities and the potential of Salmonella to exploit different metabolic niches. Non-antibiotic drugs that favored Salmonella expansion in vitro also promoted other enteric pathogens and increased Salmonella loads in gnotobiotic and conventional mice. These findings may inform future strategies to control pathogen proliferation and to assess individual microbiota-drug-pathogen risks for infection.