ABSTRACT Background Vancomycin resistance is mostly associated with Enterococcus faecium due to Tn 1546 - vanA located on narrow- and broad-host plasmids of various families. The study’s aim was to analyse the effects of acquiring Tn 1546 -plasmids with proven epidemicity in different bacterial host backgrounds. Methods Widespread Tn 1546 -plasmids of different families RepA_N (n=5), Inc18 (n=4) and/or pHTβ (n=1), and prototype plasmids RepA_N (pRUM) and Inc18 (pRE25, pIP501) were analysed. Plasmid transferability and fitness cost were assessed using E. faecium (GE1, 64/3) and Enterococcus faecalis (JH2-2/FA202/UV202) recipient strains. Growth curves (Bioscreen C) and Relative Growth Rates were obtained in presence/absence of vancomycin. Plasmid stability was analysed (300 generations). Whole genome sequencing (Illumina-MiSeq) of non-evolved and evolved strains (GE1/64/3 transconjugants, n=49) was performed. SNP calling (breseq software) of non-evolved strains was used for comparison. Results All plasmids were successfully transferred to different E. faecium clonal backgrounds. Most Tn 1546 -plasmids and Inc18 and RepA_N prototypes reduced host fitness (−2%-18%) while the cost of Tn 1546 expression varied according to the Tn 1546 -variant and the recipient strain (9-49%). Stability of Tn 1546 -plasmids was documented in all cases, often with loss of phenotypic resistance and/or partial plasmid deletions. Point mutations and/or indels associated with essential bacterial functions were observed on the chromosome of evolved strains, some of them linked to increased fitness. Conclusions The stability of E. faecium Tn 1546 -plasmids in the absence of selective pressure and the high intra-species conjugation rates might explain the persistence of vancomycin resistance in E. faecium populations despite the significant burden they might impose on bacterial host strains.

ABSTRACT The concern of colistin-resistant bacteria in animal-food-environmental-human ecosystems prompted the poultry sector to implement colistin restrictions and explore alternative trace metals/copper feed supplementation. The impact of these strategies on the selection and persistence of colistin-resistant Klebsiella pneumoniae (Kp) in the whole poultry-production chain needs clarification. We assessed colistin-resistant and copper-tolerant Kp occurrence in chicken raised with inorganic and organic copper-formulas from one-day-old chicks to meat (7 farms/2019-2020), after long-term colistin withdrawal (>2-years). Clonal diversity and Kp adaptive features were characterized by cultural, molecular, and whole-genome-sequencing (WGS) approaches. Most chicken-flocks (75%) carried Kp at early+pre-slaughter stages, with a significant decrease (p<0.05) in meat batches (17%) and sporadic water/feed contamination. High rates (>50%) of colistin-resistant/ mcr -negative Kp were observed among faecal samples, independently of feed. Most samples carried multidrug-resistant (90%) and copper-tolerant isolates (81%; pco+sil /MIC CuSO4 ≥16mM). WGS revealed accumulation of colistin resistance associated mutations and F-type multireplicon plasmids carrying antibiotic resistance and metal/copper-tolerance genes. The Kp population was polyclonal, with various lineages dispersed throughout poultry production. ST15-KL19, ST15-KL146 and ST392-KL27, and IncF plasmids were similar to those from global human clinical isolates, suggesting chicken-production as a reservoir/source of clinically-relevant Kp lineages and genes with potential risk to humans through food and/or environmental exposure. Despite long-term colistin ban limited mcr spread, it was ineffective in controlling colistin-resistant/ mcr -negative Kp, regardless of feed. This study provides crucial insights into the persistence of clinically-relevant Kp in the poultry-production chain and highlights the need for continued surveillance and proactive food safety actions within a ’One-Health’ perspective. IMPORTANCE The spread of bacteria resistant to last-resort antibiotics such as colistin throughout the food chain is a serious concern for public health. The poultry sector has responded by restricting colistin use and exploring alternative trace metals/copper feed supplements. However, it is unclear how and to which extent these changes impact the selection and persistence of clinically-relevant Klebsiella pneumoniae (Kp) throughout poultry chain. We found a high occurrence of copper-tolerant and colistin-resistant/ mcr -negative Kp in chicken flocks, regardless of inorganic and organic copper-formulas and long-term colistin ban. Despite the high Kp diversity, the occurrence of identical lineages and plasmids across samples and/or clinical isolates suggests poultry as a potential source of human Kp exposure. This study highlights the need for continued surveillance and proactive farm-to-fork actions to mitigate the risks to public health, relevant for stakeholders involved in food industry and policymakers tasked with regulating food safety.

The evolution and spread of antibiotic resistance is often mediated by mobile genetic elements. Integrative and conjugative elements (ICEs) are the most abundant conjugative elements among prokaryotes. However, the contribution of ICEs to horizontal gene transfer of antibiotic resistance has been largely unexplored. Here we report that ICEs belonging to mating-pair formation (MPF) classes G and T are highly prevalent among the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa, contributing to the spread of carbapenemase-encoding genes (CEGs). Most CEGs of the MPFG class were encoded within class I integrons, which co-harbour genes conferring resistance to other antibiotics. The majority of the integrons were located within Tn3-like and composite transposons. A conserved attachment site could be predicted for the MPFG class ICEs. MPFT class ICEs carried the CEGs within composite transposons which were not associated with integrons. The data presented here provides a global snapshot of the different CEG-harbouring ICEs and sheds light on the underappreciated contribution of these elements for the evolution and dissemination of antibiotic resistance on P. aeruginosa.

ABSTRACT Chlorhexidine (CHX) is widely used to control the spread of pathogens (e.g. human/animal clinical settings, ambulatory care, food industry). E. faecalis , a major nosocomial pathogen, is broadly distributed in diverse hosts and environments facilitating its exposure to CHX over the years. Nevertheless, CHX activity against E. faecalis is understudied. Our goal was to assess CHX activity and the variability of ChlR-EfrEF proteins (associated with CHX tolerance) among 673 field isolates and 1784 E. faecalis genomes from PATRIC database from different sources, time spans, clonal lineages and antibiotic resistance profiles. CHX minimum inhibitory concentrations (MIC CHX ) and minimum bactericidal concentrations (MBC CHX ) against E. faecalis presented normal distributions (0.5-64 mg/L). However, more CHX tolerant isolates were detected in the food chain and recent human infections, suggesting an adaptability of E. faecalis populations in settings where CHX is heavily used. Heterogeneity in ChlR-EfrEF sequences was identified, with isolates harboring incomplete ChlR-EfrEF proteins, particularly the EfrE identified in the ST40 clonal lineage, showing low MIC CHX (≤1mg/L). Distinct ST40- E. faecalis subpopulations carrying truncated and non-truncated EfrE were detected, the former being predominant in human isolates. This study provides a new insight about CHX susceptibility and ChlR-EfrEF variability within diverse E. faecalis populations. The MIC CHX /MBC CHX of more tolerant E. faecalis (MIC CHX =8mg/L; MBC CHX =64mg/L) remain lower than in-use concentrations of CHX (>500mg/L). However, CHX increasing use combined with concentration gradients occurring in diverse environments potentially selecting multidrug-resistant strains with different CHX susceptibilities, alert to the importance of monitoring the trends of E. faecalis CHX tolerance within a One-Health approach.

Abstract Enterococcus faecalis is a commensal pathogenic bacterium commonly found in the human gastrointestinal tract and a cause of opportunistic infections typically associated with multidrug resistance. The E. faecalis genetic changes associated with pathogenicity and extraintestinal infection, particularly through gut-to-bloodstream translocation, are poorly understood. Here, we investigate the E. faecalis genetic signatures associated with intestinal colonisation and extraintestinal infection and infection of hospitalised and non-hospitalised individuals using heritability estimation and a genome-wide association study (GWAS). We analysed 750 whole-genome sequences of faecal and bloodstream E. faecalis isolates from hospitalised patients and non-hospitalised individuals, respectively, predominantly in Europe. We found that E. faecalis infection of individuals depending on their hospitalisation status and extraintestinal infection are heritable traits and that ∼24% and ∼34% of their variation is explained by the considered genetic effects, respectively. Further, a GWAS using linear mixed models did not pinpoint any clear enrichment of individual genetic changes in isolates from different isolation sites and individuals with varying hospitalisation statuses, suggesting that these traits are highly polygenic. Altogether, our findings indicate that E. faecalis infection and extraintestinal infection are influenced by variation in genetic, host, and environmental factors, and ultimately the opportunistic pathogenic lifestyle of this versatile host generalist bacterium.

Genomics-based population analysis of multidrug resistant (MDR) Klebsiella pneumoniae (Kp) motivated a renewed interest on capsule (K) types given their importance as evolutionary and virulence markers of clinically relevant strains. However, there is a gap between genotypic based predictions and information on capsular polysaccharide structure and composition. We used molecular genotypic, comparative genomics, biochemical and phenotypic data on the cps locus to support the usefulness of Fourier-Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy as a phenotypic approach for K-type characterization and identification. The approach was validated with a collection of representative MDR Kp isolates from main lineages/Clonal Groups (CGs) involved in local or nationwide epidemics in 6 European and South American countries. FT-IR-based K-type assignments were compared with those obtained by genotypic methods and WGS (cps operon), and further complemented with data on the polysaccharide composition and structure of known K-types. We demonstrate that our FT-IR-based spectroscopy approach can discriminate all 21 K-types identified with a resolution comparable (or even higher) to that provided by WGS, considered gold-standard methodology. Besides contributing to enlighten K-type diversity among a significant MDR Kp collection, the specific associations between certain K-types and Kp lineages identified in different geographic regions over time support the usefulness of our FT-IR-based approach for strain typing. Additionally, we demonstrate that FT-IR discriminatory ability is correlated with variation on the structure/composition of known K-types and, supported on WGS data, we were able to predict the sugar composition and chemical structure of new KL-types. Our data revealed an unprecedent resolution at a quick and low-cost rate of Kp K-types at the phenotypic level. Our FT-IR spectroscopy-based approach might be extremely useful not only as a cost-effective Kp typing tool, but also to improve our understanding on sugar-based coating structures of high relevance for strain evolution and host adaptation.

Horizontal transfer of plasmids plays a pivotal role in the dissemination of antibiotic resistance genes and emergence of multidrug-resistant bacteria. Sequencing of plasmids is thus paramount for the success of accurate epidemiological tracking strategies in the hospital setting and routine surveillance. Here, we combine Nanopore and Illumina sequencing to fully assemble a carbapenemase-encoding megaplasmid carried by a clinical isolate belonging to a putative novel Pseudomonas species. FFUP_PS_41 has a multidrug resistance phenotype and was initially identified as Pseudomonas putida, but an average nucleotide identity below the cut-off for species delineation suggests a new species related to the P. putida phylogenetic group. FFUP_PS_41 harbors a 498,516-bp untypable megaplasmid (pJBCL41) with low similarity compared with publicly available plasmids. pJBCL41 contains a full set of genes for self-transmission and genes predicted to be responsible for plasmid replication, partitioning, maintenance and heavy metal resistance. pJBCL41 carries a class 1 integron with the |aacA7|blaVIM-2|aacA4| cassette array (In103) located within a defective Tn402-like transposon that forms part of a 50,273-bp mosaic region bound by 38-bp inverted repeats typical of the Tn3 family and flanked by 5-bp direct repeats. This region is composed of different elements, including additional transposon fragments, five insertion sequences and a Tn3-Derived Inverted-Repeat Miniature Element. The hybrid Nanopore/Illumina approach resulted in contiguous assemblies and allowed us to fully resolve a carbapenemase-encoding megaplasmid from Pseudomonas spp. The identification of novel megaplasmids will shed a new light on the evolutionary effects of gene transfer and the selective forces driving AR.

Abstract The rise of antibiotic resistance in the food chain is influenced by the use of antimicrobial agents, such as antibiotics, metals, and biocides, throughout the entire farm-to-fork continuum. Besides, non-clinical reservoirs potentially contribute to the transmission of critical pathogens such as multidrug-resistant (MDR) Klebsiella pneumoniae . However, limited knowledge exists about the population structure and genomic diversity of K. pneumoniae circulating in conventional poultry production. We conducted a comprehensive characterization of K. pneumoniae across the whole chicken production chain (flocks/environment/meat, 2019-2022), exploring factors beyond antibiotics, like copper and quaternary ammonium compounds (QACs). Clonal diversity and adaptive features of K. pneumoniae were characterized through cultural, molecular (FT-IR), and whole-genome-sequencing (WGS) approaches. All except one flock were positive for K. pneumoniae with a significant increase (p < 0.05) from early to pre-slaughter stages, most persisting in chicken meat batches. Colistin-resistant K. pneumoniae rates were low (4%), while most samples carried MDR strains (67%) and copper-tolerant isolates (63%; sil + pco clusters; MIC CuSO4 ≥16mM), particularly at pre-slaughter. Benzalkonium chloride consistently exhibited activity in K. pneumoniae (MIC/MBC range=4-64mg/L) from diverse and representative strains independently of the presence/absence of genes linked to QACs tolerance. A polyclonal K. pneumoniae population, discriminated by FT-IR and WGS, included various lineages dispersed throughout the chicken’s lifecycle at the farm (ST29-KL124, ST11-KL106, ST15-KL19, ST1228-KL38), until the meat (ST1-KL19, ST11-KL111, ST6405-KL109, and ST6406-CG147-KL111), or over years (ST631-49 KL109, ST6651-KL107, ST6406-CG147-KL111). Notably, some lineages were identical to those from human clinical isolates. WGS also revealed F-type multireplicon plasmids carrying sil + pco (copper) co-located with qacE Δ1± qacF (QACs) and antibiotic resistance genes like those disseminated in humans. In conclusion, chicken farms and their derived meat are significant reservoirs for diverse K. pneumoniae clones enriched in antibiotic resistance and metal tolerance genes, some exhibiting genetic similarities with human clinical strains. Further research is imperative to unravel the factors influencing K. pneumoniae persistence and dissemination within poultry production, contributing to improved food safety risk management. This study underscores the significance of understanding the interplay between antimicrobial control strategies and non-clinical sources to effectively address the spread of antimicrobial resistance.

Chlorhexidine (CHX) is a broad-spectrum antiseptic widely used in community and clinical contexts for many years, recently acquiring higher relevance in nosocomial infections control worldwide. Despite of this, CHX tolerance has been poorly understood among Enterococcus faecium, one of the leading agents causing nosocomial infections. This study provides new phenotypic and molecular data for a better identification of CHX tolerant E. faecium subpopulations in community and clinical contexts. MICCHX distribution of 106 E. faecium suggested the occurrence of tolerant subpopulations in diverse sources (human, animal, food, environment) and phylogenomic backgrounds (clades A1/A2/B), with predominance in clade A1. They carried a specific variant of 2CS-CHXT operon, here identified. It encodes a glucose and an amino-acid-polyamine-organocation family transporters, besides the DNA-binding-response-regulator ChtR with a P102H mutation previously described in only CHX tolerant clade A1 E. faecium, and the ChtS sensor. Combined data from normal MIC distribution and 2CS-CHXT operon characterization supports a tentative epidemiological cut-off (ECOFF) of 8 mg/L to CHX, useful to detect tolerant E. faecium populations in future surveillance studies. The spread of tolerant E. faecium in diverse epidemiological backgrounds alerts for a prudent use of CHX in multiple contexts.