Pseudomonas aeruginosa isolates have a highly conserved core genome representing up to 90% of the total genomic sequence with additional variable accessory genes, many of which are found in genomic islands or islets. The identification of the Liverpool Epidemic Strain (LES) in a children’s cystic fibrosis (CF) unit in 1996 and its subsequent observation in several centers in the United Kingdom challenged the previous widespread assumption that CF patients acquire only unique strains of P. aeruginosa from the environment. To learn about the forces that shaped the development of this important epidemic strain, the genome of the earliest archived LES isolate, LESB58, was sequenced. The sequence revealed the presence of many large genomic islands, including five prophage clusters, one defective (pyocin) prophage cluster, and five non-phage islands. To determine the role of these clusters, an unbiased signature tagged mutagenesis study was performed, followed by selection in the chronic rat lung infection model. Forty-seven mutants were identified by sequencing, including mutants in several genes known to be involved in Pseudomonas infection. Furthermore, genes from four prophage clusters and one genomic island were identified and in direct competition studies with the parent isolate; four were demonstrated to strongly impact on competitiveness in the chronic rat lung infection model. This strongly indicates that enhanced in vivo competitiveness is a major driver for maintenance and diversifying selection of these genomic prophage genes.

Rationale: Pseudomonas aeruginosa isolates from chronic cystic fibrosis lung infections display multiple phenotypes indicating extensive population diversity.Objectives: We aimed to examine how such diversity is distributed within and between patients, and to study the dynamics of single-strain phenotypic diversity in multiple patients through time.Methods: Sets of 40 P. aeruginosa isolates per sputum samples were analyzed for a series of phenotypic and genotypic characteristics. Population differentiation between patients, between samples within patients, and between isolates within samples was analyzed.Measurements and Main Results: We characterized 15 traits for a total of 1,720 isolates of an important and widely disseminated epidemic strain of P. aeruginosa from 10 chronically infected patients with cystic fibrosis multiply sampled during 2009. Overall, 43 sputum samples were analyzed and 398 haplotypes of the Liverpool Epidemic Strain were identified. The majority of phenotypic diversity occurred within patients. Such diversity is highly dynamic, displaying rapid turnover of haplotypes through time. P. aeruginosa populations within each individual sputum sample harbored extensive diversity. Although we observed major changes in the haplotype composition within patients between samples taken at intervals of several months, the compositions varied much less during exacerbation periods, despite the use of intravenous antibiotics. Our data also highlight a correlation between periods of pulmonary exacerbation and the overproduction of pyocyanin, a quorum sensing–controlled virulence factor.Conclusions: These results significantly advance our understanding of the within-host population biology of P. aeruginosa during infection of patients with cystic fibrosis, and provide in vivo evidence for a link between pyocyanin production and patient morbidity.

The major human bacterial pathogen

Abstract Pseudomonas aeruginosa undergoes diversification during infection of the cystic fibrosis (CF) lung. Understanding these changes requires model systems that capture the complexity of the CF lung environment. We previously identified loss-of-function mutations in the two-component regulatory system sensor kinase gene pmrB , in P. aeruginosa from CF and from experimental infection of mice. Here, we demonstrate that whilst such mutations lower in vitro MICs for multiple antimicrobial classes, this is not reflected in increased antibiotic susceptibility in vivo . Loss of PmrB impairs aminoarabinose modification of lipopolysaccharide, increasing the negative charge of the outer membrane and promoting uptake of cationic antimicrobials. However, in vivo , this can be offset by increased membrane binding of other positively charged molecules present in lungs. The polyamine spermidine readily coats the surface of PmrB - deficient P. aeruginosa , reducing susceptibility to antibiotics that rely on charge differences to bind the outer membrane and increasing biofilm formation. Spermidine is elevated in lungs during P. aeruginosa infection in mice and during episodes of antimicrobial treatment in people with CF. These findings highlight the need to study antimicrobial resistance under clinically relevant environmental conditions. Microbial mutations carrying fitness costs in vitro may be advantageous during infection, where host resources can be utilised.

Abstract Urinary Tract Infections (UTI) are one of the most widespread infections in healthcare and community settings worldwide. Pseudomonas aeruginosa is the third most common pathogen associated with catheter-associated UTI (CAUTI). P. aeruginosa infections are highly resistant and difficult to treat and it is currently classified as priority 1 by the World Health Organisation. In vitro studies of microbes typically employ laboratory media. The inadequacy of nutrient-rich media in simulating the physiological environment has led to the development of multiple media that mimic human body fluids, including Artificial Urine Medium (AUM). By studying growth and in vitro biofilm assays along with proteomics, we sought to establish whether UTI P. aeruginosa respond differently in laboratory media, AUM and urine. To further probe the impact of environmental influences, sex hormones estradiol, progesterone and testosterone were added at physiologically relevant concentrations. The proteomic profiles were then compared between hormone supplemented AUM and urine. Our findings indicate that bacterial responses in standard laboratory media, AUM and urine were distinct. Increased proteins associated with iron acquisition mechanisms were similar in both AUM and urine. However, differences were observed in other virulence and iron pathways, such as phenazine production. Treatment with hormones decreased the abundance of P. aeruginosa proteins involved in iron acquisition. Individual hormones exhibited specific bacterial alterations. The presence of estradiol increased protein abundance of the Pseudomonas Quinolone Signal (PQS) quorum sensing system. This study suggests that P. aeruginosa pathogenesis in UTI infections may be influenced by the presence of specific hormones in the host. Understanding the individual role of host factors could contribute to a personalised treatment approach based on the potential impact on infection susceptibility and outcome.

For the first time to our knowledge, a millifluidic device has been designed to observe the effects of blue-light irradiation in Pseudomonas aeruginosa PA01 bacterial biofilm. A bacterial biofilm is formed under controlled flow of nutrients in microfabricated channels settled on a microscope stage. The setup is devised to apply defined irradiation and evaluate the photo-killing efficiency in situ using video-microscopy and fluorescent probes. We investigated bacterial survival after delivering a precise, controlled and spatially defined blue light dose upon growing biofilm. We demonstrate in this report that the combined use of constitutive GFP and propidium iodide in a millifluidic setup enables to evidence light-induced mortality at the single cell and community level. Real-time monitoring of a bacterial biofilm growing in a millifluidic device after irradiation opens an avenue for a better understanding of the biofilm community response to blue-light, permitting researchers to approach photokilling efficiency of biofilm as a dynamic process.

Abstract Background Pseudomonas aeruginosa is the dominant pathogen causing lung infections in people with both cystic fibrosis (CF) and bronchiectasis, associated with poorer outcomes. Unlike CF, bronchiectasis has been a neglected disease. More extensive genomic studies of larger bronchiectasis patient cohorts and within patient sampling are needed to improve understanding of the evolutionary mechanisms underpinning P. aeruginosa infections to guide novel and improved treatments. Methods We have performed genome sequencing of 2,854 P. aeruginosa isolates from 180 patients attending clinics worldwide to analyse the genomic diversity between and within patient infections. Results We observed high genetic diversity between infections with low incidence of highly transmissible strains. Our genomic data provide evidence for the mutational targets driving P. aeruginosa evolution in bronchiectasis. Some functions found to gain mutations were comparable to CF, including biofilm and iron acquisition, whilst others highlighted distinct evolutionary paths in bronchiectasis such as pyocin production and resistance, and a novel efflux pump gene (PA1874). We also show a high incidence of antimicrobial resistance-associated mutations and acquired resistance genes, in particular multidrug efflux and fluoroquinolone resistance mechanisms. Conclusions Our findings highlight important differences between P. aeruginosa infections in bronchiectasis and CF and provide evidence of the relatively minor role transmissible strains play in bronchiectasis. Our study provides a 10-fold increase in the available genomic data for these infections and is a global resource to improve our knowledge and understanding, to facilitate better patient outcomes. Summary The largest genomic study of Pseudomonas aeruginosa bronchiectasis isolates to-date, providing an unprecedented global genomic resource. We highlight important differences between bronchiectasis and cystic fibrosis, including key genes under selection.

Abstract Urinary tract infections (UTIs) are associated with a high burden of morbidity, mortality, and cost. Pseudomonas aeruginosa employs a myriad of virulence factors, including biofilm formation and motility mechanisms, to cause infections including persistent UTIs. P. aeruginosa is highly resistant to antibiotics and the World Health Organization has identified it as a pathogen for which novel antimicrobials are urgently required. Genotypic and phenotypic characterization of P. aeruginosa from UTIs are underreported. In addition, the rise of antimicrobial resistance (AMR) is a cause for concern, particularly in many countries where surveillance is severely lacking. 22 P. aeruginosa UTI isolates were sourced from the United Kingdom (UK) and Kuwait. To establish the phenotypes of UK isolates, growth analysis, biofilm formation assays, motility assays, and antibiotic disc diffusion assays were performed. Whole genome sequencing, antimicrobial susceptibility assays, and in silico detection of AMR-associated genes were conducted on both sets of isolates. In terms of their phenotypic characteristics and genomic composition, the UTI isolates varied. Multiple resistance genes associated with resistance to various classes of antibiotics, such as aminoglycosides, fluoroquinolones, and β-lactams, particularly in isolates from Kuwait. Extreme antibiotic resistance was detected in the isolates obtained from Kuwait, indicating that the country may be an antibiotic resistance hotspot. This study highlights that isolates from UTIs are diverse and can display extremely high resistance. Surveillance in countries such as Kuwait are currently limited and this study suggest the need for greater surveillance.

Multidrug resistance (MDR) represents a global threat to health. Although plasmids can play an important role in the dissemination of MDR, they have not been commonly linked to the emergence of antimicrobial resistance in the pathogen Pseudomonas aeruginosa. We used whole genome sequencing to characterize a collection of P. aeruginosa clinical isolates from a hospital in Thailand. Using long-read sequence data we obtained complete sequences of two closely related megaplasmids (>420 kb) carrying large arrays of antibiotic resistance genes located in discrete, complex and dynamic resistance regions, and revealing evidence of extensive duplication and recombination events. A comprehensive pangenomic and phylogenomic analysis indicated that 1) these large plasmids comprise a family present in different members of the Pseudomonas genus and associated with multiple sources (geographical, clinical or environmental); 2) the megaplasmids encode diverse niche-adaptive accessory traits, including multidrug resistance; 3) the pangenome of the megaplasmid family is highly flexible and diverse, comprising a substantial core genome (average of 48% of plasmid genes), but with individual members carrying large numbers of unique genes. The history of the megaplasmid family, inferred from our analysis of the available database, suggests that members carrying multiple resistance genes date back to at least the 1970s.