A bstract Case numbers of listeriosis have been increasing in Germany and the European Union during the last decade. In addition reports on the occurrence of antibiotic resistance in Listeria monocytogenes in clinical and environmental isolates are accumulating. The susceptibility towards 14 antibiotics was tested in a selection of clinical L. monocytogenes isolates to get a more precise picture of the development and manifestation of antibiotic resistance in the L. monocytogenes population. Based on the population structure determined by core genome multi locus sequence typing (cgMLST) 544 out of 1,220 sequenced strains collected in Germany between 2009 and 2019 were selected to cover the phylogenetic diversity observed in the clinical L. monocytogenes population. All isolates tested were susceptible towards ampicillin, penicillin and co-trimoxazole - the most relevant antibiotics in the treatment of listeriosis. Resistance to daptomycin and ciprofloxacin was observed in 493 (91%) and in 71 (13%) of 544 isolates, respectively. While all tested strains showed resistance towards ceftriaxone, the minimal inhibitory concentrations (MIC) observed varied widely between 4 mg/L up to >128 mg/L. An allelic variation of the penicillin binding protein gene pbpB3 could be identified as the cause of this difference in ceftriaxone resistance levels. This study is the first population structure-guided analysis of antimicrobial resistance in recent clinical isolates and confirms the importance of penicillin binding protein B3 (PBP B3) for the high level of intrinsic cephalosporin resistance of L. monocytogenes on a population-wide scale.

Abstract Legionella pneumophila, the causative agent of a life-threatening pneumonia, intracellularly replicates in a specialized compartment in lung macrophages, the Legionella -containing vacuole (LCV). Secreted proteins of the pathogen govern important steps in the intracellular life cycle including bacterial egress. Among these is the type II secreted PlaA which, together with PlaC and PlaD, belongs to the GDSL phospholipase family found in L. pneumophila . PlaA shows lysophospholipase A (LPLA) activity which increases after secretion and subsequent processing by the zinc metalloproteinase ProA at residue E266/L267 located within a disulfide loop. Activity of PlaA contributes to the destabilization of the LCV in the absence of the type IVB-secreted effector SdhA. We here present the 3D structure of PlaA which shows a typical α/β hydrolase fold and reveals that the uncleaved disulfide loop forms a lid structure covering the catalytic triad S30/D278/H282. This leads to reduction of both substrate access and membrane interaction before activation; however, the catalytic and membrane interaction site gets more accessible when the disulfide loop is processed. After structural modelling, a similar activation process is suggested for the GDSL hydrolase PlaC, but not for PlaD. Furthermore, the size of the PlaA substrate binding site indicated preference towards phospholipids comprising ~16 carbon fatty acid residues which was verified by lipid hydrolysis, suggesting a molecular ruler mechanism. Indeed, mutational analysis changed the substrate profile with respect to fatty acid chain length. In conclusion, our analysis revealed the structural basis for the regulated activation and substrate preference of PlaA.

The Klebsiella oxytoca species complex is part of the human microbiome, especially during infancy and childhood. K. oxytoca species complex strains can produce enterotoxins, namely, tilimycin and tilivalline, while also contributing to colonization resistance (CR). The relationship between these seemingly contradictory roles is not well understood. Here, by coupling ex vivo assays with CRISPR-mutagenesis and various mouse models, we show that K. oxytoca provides CR against Salmonella Typhimurium. In vitro, the antimicrobial activity against various Salmonella strains depended on tilimycin production and was induced by various simple carbohydrates. In vivo, CR against Salmonella depended on toxin production in germ-free mice, while it was largely toxin-independent in mice with residual microbiota. This was linked to the relative levels of toxin-inducing carbohydrates in vivo. Finally, dulcitol utilization was essential for toxin-independent CR in gnotobiotic mice. Together, this demonstrates that nutrient availability is key to both toxin-dependent and substrate-driven competition between K. oxytoca and Salmonella.

Salmonella enterica is the second most reported bacterial cause of food-borne infections 12 in Europe. Therefore molecular surveillance activities based on pathogen subtyping are an important measure of controlling Salmonellosis by public health agencies. In Germany, at the federal level, this work is carried out by the National Reference Center for Salmonella and other Bacterial Enteric Pathogens (NRC). With rise of next generation sequencing techniques, the NRC has introduced whole-genome based typing methods for S. enterica in 2016. In this study we report on the feasibility of genome-based in silico serotyping in the German setting using raw sequence reads. We found that SeqSero and seven gene MLST showed 98% and 95% concordance, respectively, with classical serotyping for the here evaluated serotypes, including the most common German serotypes S. Enteritidis and S. Typhimurium as well as less frequently found serotypes. The level of concordance increased to >99% when the results of both in silico methods were combined. However, both tools exhibited misidentification of monophasic variants, in particular monophasic S. Typhimurium and therefore need to be fine-tuned for reliable detection of this epidemiologically important variant. We conclude that with adjustments Salmonella genome-based serotyping might become the new gold standard.

The enteric pathogen Salmonella enterica serovar Typhimurium relies on the activity of effector proteins to invade, replicate, and disseminate into host epithelial cells and other tissues, thereby causing disease. Secretion and injection of effector proteins into host cells is mediated by dedicated secretion systems, which hence represent major virulence determinants. Here, we report the identification of a synthetic small molecule with drug-like properties, C26, which suppresses the secretion of effector proteins, and consequently hinders bacterial invasion of eukaryotic cells. C26 binds to and inhibits HilD, the transcriptional regulator of the major secretion systems. While sharing the same binding pocket as the previously described long-chain fatty acid ligands, C26 inhibits HilD with a unique binding mode and a distinct mechanism. We provide evidence for target engagement within infected eukaryotic cells and present analogs with improved potency and suitability as scaffolds to develop anti-virulence agents against Salmonella infections in humans and animals.

Abstract Shiga toxin-producing E. coli (STEC) can give rise to a range of clinical outcomes from diarrhea to the life-threatening systemic condition, hemolytic uremic syndrome (HUS). Although STEC O157:H7 is the serotype most frequently associated with HUS, a major outbreak of HUS occurred in 2011 in Germany, and was caused by a rare serotype, STEC O104:H4. Prior to 2011 and since the outbreak, STEC O104:H4 strains have only rarely been associated with human infections. From 2012 to 2020 intensified STEC surveillance was performed in Germany where subtyping of ∼8,000 clinical isolates by molecular methods including whole genome sequencing was carried out. A rare STEC serotype O181:H4 associated with HUS was identified and, like the STEC O104:H4 outbreak strain, this strain belongs to sequence type (ST) 678. Genomic and virulence comparisons revealed that the two strains are phylogenetically related and differ principally in the gene cluster encoding their respective lipopolysaccharide O-antigens but exhibit similar virulence phenotypes. In addition, five other serotypes belonging to ST678 from human clinical infection, such as OX13:H4, O127:H4, OgN-RKI9:H4, O131:H4, and O69:H4, were identified from diverse locations worldwide. Importance Our data suggest the high virulence ensemble of the STEC O104:H4 outbreak strain remains a global threat because genomically similar strains cause disease worldwide, but that horizontal acquisition of O-antigen gene clusters has diversified the O-antigens of strains belonging to ST678. Thus, identification of these highly pathogenic strains is masked by diverse and rare O-antigens, thereby confounding the interpretation of their potential risk.

Abstract The virulence factor and phospholipase PlaB promotes lung colonization, tissue destruction, and intracellular replication of Legionella pneumophila , the causative agent of Legionnaires’ disease. It is exposed at the bacterial surface and shows an extraordinary activation mechanism by tetramer deoligomerization. To unravel the molecular basis for enzyme activation and localization, we determined the crystal structure of PlaB in its tetrameric form. We found that the tetramer is a dimer of identical dimers, and a monomer consists of an N-terminal phospholipase α/β-hydrolase domain augmented by two non-canonical two-stranded β-sheets, β6/β7 and β9/β10. The C- terminal domain reveals a novel fold displaying a bilobed β-sandwich with a hook structure that is required for dimer formation and complementation of the phospholipase domain in the neighboring monomer. Unexpectedly, we observed eight NAD(H) molecules at the dimer/dimer interface, suggesting that these molecules stabilize the tetramer and hence lead to enzyme inactivation. Indeed, addition of NAD(H) increased the fraction of the tetrameric form and concomitantly reduced activity. β9/β10 mutants revealed a decrease in the tetrameric fraction, altered activity profiles, and mislocalization. Protein variants lacking the hook or strands β6/β7 were unaffected in terms of localization but lost their activity, and lid mutants changed substrate specificity. Together, these data reveal structural elements and an unprecedented NAD(H)- mediated tetramerization mechanism required for spatial and enzymatic control of a phospholipase virulence factor. The regulatory process identified is ideally suited to fine tune PlaB in a way that protects L. pneumophila from self-inflicted lysis while ensuring its activity at the pathogen–host interface.

Abstract The zoonotic pathogen Campylobacter jejuni is among the leading causes of foodborne diseases worldwide. While C. jejuni colonises many wild animals and livestock, persistence mechanisms enabling the bacterium to adapt to host species’ guts are not fully understood. In order to identify putative determinants influencing host preferences of distinct lineages, bootstrapping based on stratified random sampling combined with a k-mer- based genome-wide association was conducted on 490 genomes from diverse origins in Germany and Canada. We show a strong association of both the core and the accessory genome characteristics with distinct host animal species, indicating multiple adaptive trajectories defining the evolution of C. jejuni lifestyle preferences in different ecosystems. Here, we demonstrate that adaptation towards a specific host niche ecology is most likely a long evolutionary and multifactorial process, expressed by gene absence or presence and allele variations of core genes. Several host-specific allelic variants from different phylogenetic backgrounds, including dna E, rpo B, ftsX or pyc B play important roles for genome maintenance and metabolic pathways. Thus, variants of genes important for C. jejuni to cope with specific ecological niches or hosts may be useful markers for both surveillance and future pathogen intervention strategies.

A food-borne outbreak with about 200 Salmonella Umbilo cases occurred mainly between July and September 2024 in several European countries. Collaborative work between outbreak teams in Germany, Austria and Denmark, including epidemiological and microbiological investigations, allowed to rapidly identify rocket salad as the likely infection vehicle. Salmonella Umbilo was detected in rocket salad, and later in baby spinach. The food isolates and clinical outbreak strain were genetically closely related. Both food items originated from the same company in Italy.

Foodborne infections represent a significant public health concern, particularly when outbreaks affect many individuals over prolonged time. Systematic collection of pathogen isolates from infected patients, whole genome sequencing and phylogenetic analyses allow recognition and termination of outbreaks after source identification and risk profiling of abundant lineages. We here present a multi-dimensional analysis of >1,800 genome sequences from clinical L. monocytogenes isolates collected in Germany between 2018-2021. These isolates covered 62% of all notified cases and belonged to 188 infection clusters. 42% of these clusters were active for >12 months, 60% generated cases cross-regionally, including 11 multinational clusters. 37% of the clusters were caused by sequence type (ST) ST6, ST8 and ST1 clones and for selected clusters, we provide further epidemiological and genetic information. Frequencies of materno-fetal and brain infections allowed risk profiling of the most abundant STs, differentiating ST1 as hyper- and ST8, ST14, ST29 as well as ST155 as hypovirulent from ST6 with average virulence potential. Hepatocyte infection experiments confirmed these virulence differences. Inactivating mutations were found in several virulence and house-keeping genes, particularly in hypovirulent STs. Our work supports prioritization of clusters for epidemiological investigations and reinforces the need to analyse the mechanisms underlying hyper- and hypovirulence.