Antimicrobial peptides are promising alternative antimicrobial agents. However, little is known about whether resistance to small-molecule antibiotics leads to cross-resistance (decreased sensitivity) or collateral sensitivity (increased sensitivity) to antimicrobial peptides. We systematically addressed this question by studying the susceptibilities of a comprehensive set of 60 antibiotic-resistant Escherichia coli strains towards 24 antimicrobial peptides. Strikingly, antibiotic-resistant bacteria show a high frequency of collateral sensitivity to antimicrobial peptides, whereas cross-resistance is relatively rare. We identify clinically relevant multidrug-resistance mutations that increase bacterial sensitivity to antimicrobial peptides. Collateral sensitivity in multidrug-resistant bacteria arises partly through regulatory changes shaping the lipopolysaccharide composition of the bacterial outer membrane. These advances allow the identification of antimicrobial peptide–antibiotic combinations that enhance antibiotic activity against multidrug-resistant bacteria and slow down de novo evolution of resistance. In particular, when co-administered as an adjuvant, the antimicrobial peptide glycine-leucine-amide caused up to 30-fold decrease in the antibiotic resistance level of resistant bacteria. Our work provides guidelines for the development of efficient peptide-based therapies of antibiotic-resistant infections. Multidrug-resistant Escherichia coli have a high frequency of collateral sensitivity to antimicrobial peptides, which may arise from changes in lipopolysaccharide regulation.

The evolution of resistance to a single antibiotic is frequently accompanied by increased resistance to multiple other antimicrobial agents. In sharp contrast, very little is known about the frequency and mechanisms underlying collateral sensitivity. In this case, genetic adaptation under antibiotic stress yields enhanced sensitivity to other antibiotics. Using large‐scale laboratory evolutionary experiments with Escherichia coli , we demonstrate that collateral sensitivity occurs frequently during the evolution of antibiotic resistance. Specifically, populations adapted to aminoglycosides have an especially low fitness in the presence of several other antibiotics. Whole‐genome sequencing of laboratory‐evolved strains revealed multiple mechanisms underlying aminoglycoside resistance, including a reduction in the proton‐motive force (PMF) across the inner membrane. We propose that as a side effect, these mutations diminish the activity of PMF‐dependent major efflux pumps (including the AcrAB transporter), leading to hypersensitivity to several other antibiotics. More generally, our work offers an insight into the mechanisms that drive the evolution of negative trade‐offs under antibiotic selection.

Abstract Antimicrobial peptides (AMPs) are promising antimicrobials, however, the potential of bacterial resistance is a major concern. Here we systematically study the evolution of resistance to 14 chemically diverse AMPs and 12 antibiotics in Escherichia coli . Our work indicates that evolution of resistance against certain AMPs, such as tachyplesin II and cecropin P1, is limited. Resistance level provided by point mutations and gene amplification is very low and antibiotic-resistant bacteria display no cross-resistance to these AMPs. Moreover, genomic fragments derived from a wide range of soil bacteria confer no detectable resistance against these AMPs when introduced into native host bacteria on plasmids. We have found that simple physicochemical features dictate bacterial propensity to evolve resistance against AMPs. Our work could serve as a promising source for the development of new AMP-based therapeutics less prone to resistance, a feature necessary to avoid any possible interference with our innate immune system.

Abstract Understanding how evolution of antimicrobial resistance increases resistance to other drugs is a challenge of profound importance. By combining experimental evolution and genome sequencing of 63 laboratory-evolved lines, we charted a map of cross-resistance interactions between antibiotics in Escherichia coli , and explored the driving evolutionary principles. Here, we show that (1) convergent molecular evolution is prevalent across antibiotic treatments, (2) resistance conferring mutations simultaneously enhance sensitivity to many other drugs and (3) 27% of the accumulated mutations generate proteins with compromised activities, suggesting that antibiotic adaptation can partly be achieved without gain of novel function. By using knowledge on antibiotic properties, we examined the determinants of cross-resistance and identified chemogenomic profile similarity between antibiotics as the strongest predictor. In contrast, cross-resistance between two antibiotics is independent of whether they show synergistic effects in combination. These results have important implications on the development of novel antimicrobial strategies.

The human gut microbiota has adapted to the presence of antimicrobial peptides (AMPs) that are ancient components of immune defence. Despite important medical relevance, it has remained unclear whether AMP resistance genes in the gut microbiome are available for genetic exchange between bacterial species. Here we show that AMP- and antibiotic-resistance genes differ in their mobilization patterns and functional compatibilities with new bacterial hosts. First, whereas AMP resistance genes are widespread in the gut microbiome, their rate of horizontal transfer is lower than that of antibiotic resistance genes. Second, gut microbiota culturing and functional metagenomics revealed that AMP resistance genes originating from phylogenetically distant bacteria only have a limited potential to confer resistance in Escherichia coli, an intrinsically susceptible species. Third, the phenotypic impact of acquired AMP resistance genes heavily depends on the genetic background of the recipient bacteria. Taken together, functional compatibility with the new bacterial host emerges as a key factor limiting the genetic exchange of AMP resistance genes. Finally, our results suggest that AMPs induce highly specific changes in the composition of the human microbiota with implications for disease risks.

Antimicrobial peptides (AMPs) are key effectors of the innate immune system and promising therapeutic agents. Yet, knowledge on how to design AMPs with minimal cross-resistance to human host-defense peptides remains limited. Here, with a chemical-genetic approach, we systematically assessed the resistance determinants of Escherichia coli against 15 different AMPs. Although generalizations about AMP resistance are common in the literature, we found that AMPs with different physicochemical properties and cellular targets vary considerably in their resistance determinants. As a consequence, collateral sensitivity effects were common: numerous genes decreased susceptibility to one AMP while simultaneously sensitized to others. Finally, the chemical-genetic map predicted the cross-resistance spectrum of laboratory-evolved human-B-defensin-3 resistant lineages. Our work substantially broadens the scope of known resistance-modulating genes and explores the pleiotropic effects of AMP resistance. In the future, the chemical-genetic map could inform efforts to minimize cross-resistance between therapeutic and human host AMPs.

Abstract Phage therapy is gaining increasing interest in the fight against critically resistant nosocomial pathogens. However, the narrow host range of bacteriophages hampers the development of broadly effective phage therapeutics and demands precision approaches. Here we combine large-scale phylogeographical analysis with high-throughput phage typing to guide the development of precision phage cocktails targeting carbapenem-resistant Acinetobacter baumannii, a top-priority pathogen. Our analysis reveals that a few strain types dominate infections in each world region, with their geographical distribution remaining stable within six years. As we demonstrate in Eastern Europe, this spatio-temporal distribution enables preemptive preparation of region-specific phage collections that target most local infections. Finally, we showcase the efficacy of a four-phage cocktail against the most prevalent strain type in both in vitro and in vivo animal infection models. Ultimately, genomic surveillance identifies patients benefiting from the same phages across geographical scales, thus providing a scalable framework for precision phage therapy. Highlights A few carbapenem-resistant Acinetobacter baumannii types dominate infections worldwide Phylogeography reveals stable strain composition of individual countries over a six-year period This spatio-temporal distribution allows preemptive preparation of region-specific phage collections A four-phage cocktail is efficacious against the most prevalent strain type in Europe.

Summary Apoptosis, the programmed cell death, is responsible for the removal of cells seriously damaged or unwanted in development. A major function of apoptosis is the removal of cells which suffered oncogenic mutations, thereby preventing cancerous transformation. By making use of the DEP transposon, a P element derivative made in our laboratory, we made an insertional mutagenesis screen in Drosophila melanogaster to identify genes which, when overexpressed, suppress the p53 -activated apoptosis. The DEP element has Gal4-activatable, outward-directed UAS -promoters at both ends which can be deleted separately in vivo . In the DEP insertion mutants, we used the GMR-Gal4 driver to induce transcription from both UAS -promoters and tested the suppression effect on the apoptotic rough eye phenotype generated by an activated UAS-p53 transgene. By DEP insertions, seven genes were identified which suppressed the p53 -induced apoptosis. In four mutants, the suppression effect was resulted by single genes activated by one UAS -promoter ( Pka-R2, Rga, crol, Spt5 ). In the other three ( Orct2, Polr2M, stg ), deleting either UAS -promoter eliminated the suppression effect. In qPCR experiments we found that the genes in the vicinity of the DEP insertion also showed an elevated expression level. This suggested an additive effect of the nearby genes on suppressing apoptosis. In the eucaryotic genomes there are co-expressed gene clusters. Three of the DEP insertion mutants are included and two are in close vicinity of separate co-expressed gene clusters. This raises the possibility that the activity of some of the genes in these clusters may help the suppression of the apoptotic cell death.