Evolution of Ebola virus over time The high rate of mortality in the current Ebola epidemic has made it difficult for researchers to collect samples of the virus and study its evolution. Gire et al. describe Ebola epidemiology on the basis of 99 whole-genome sequences, including samples from 78 affected individuals. The authors analyzed changes in the viral sequence and conclude that the current outbreak probably resulted from the spread of the virus from central Africa in the past decade. The outbreak started from a single transmission event from an unknown animal reservoir into the human population. Two viral lineages from Guinea then spread from person to person into Sierra Leone. Science , this issue p. 1369

Metagenomic sequencing has the potential to transform microbial detection and characterization, but new tools are needed to improve its sensitivity. We developed CATCH (Compact Aggregation of Targets for Comprehensive Hybridization), a computational method to enhance nucleic acid capture for enrichment of diverse microbial taxa, and implemented it in a publicly available software package. CATCH designs compact probe sets that achieve full coverage of known microbial sequence diversity and that scale well with this diversity. Using CATCH, we designed and synthesized multiple probe sets, including one to capture whole genomes of the 356 viral species known to infect humans, and conducted a rigorous evaluation of their performance. Capture with these probe sets enriched unique viral content on average 18-fold in sequencing libraries from patient and environmental samples and allowed us to assemble viral genomes that we could not otherwise recover. We show that capture accurately reflects co-infections and within-host nucleotide variation, enriches sequence with substantial divergence from the probe sets, and improves detection of viral infections in samples with unknown microbial content. Our work provides a new approach to probe design and evaluation, and demonstrates a path toward more sensitive, cost-effective metagenomic sequencing.

Zika virus (ZIKV) is causing an unprecedented epidemic linked to severe congenital syndromes1,2. In July 2016, mosquito-borne ZIKV transmission was first reported in the continental United States and since then, hundreds of locally-acquired infections have been reported in Florida3. To gain insights into the timing, source, and likely route(s) of introduction of ZIKV into the continental United States, we tracked the virus from its first detection in Miami, Florida by direct sequencing of ZIKV genomes from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes. We show that at least four distinct ZIKV introductions contributed to the outbreak in Florida and that local transmission likely started in the spring of 2016 - several months before its initial detection. By analyzing surveillance and genetic data, we discovered that ZIKV moved among transmission zones in Miami. Our analyses show that most introductions are phylogenetically linked to the Caribbean, a finding corroborated by the high incidence rates and traffic volumes from the region into the Miami area. By comparing mosquito abundance and travel flows, we describe the areas of southern Florida that are especially vulnerable to ZIKV introductions. Our study provides a deeper understanding of how ZIKV initiates and sustains transmission in new regions.

Low-abundance members of microbial communities are difficult to study in their native habitats. This includes

The 2013-2016 epidemic of Ebola virus disease in West Africa was of unprecedented magnitude, duration and impact. Extensive collaborative sequencing projects have produced a large collection of over 1600 Ebola virus genomes, representing over 5% of known cases, unmatched for any single human epidemic. In this comprehensive analysis of this entire dataset, we reconstruct in detail the history of migration, proliferation and decline of Ebola virus throughout the region. We test the association of geography, climate, administrative boundaries, demography and culture with viral movement among 56 administrative regions. Our results show that during the outbreak viral lineages moved according to a classic 'gravity' model, with more intense migration between larger and more proximate population centers. Notably, we find that despite a strong attenuation of international dispersal after border closures, localized cross-border transmission beforehand had already set the seeds for an international epidemic, rendering these measures relatively ineffective in curbing the epidemic. We use this empirical evidence to address why the epidemic did not spread into neighboring countries, showing that although these regions were susceptible to developing significant outbreaks, they were also at lower risk of viral introductions. Finally, viral genome sequence data uniquely reveals this large epidemic to be a heterogeneous and spatially dissociated collection of transmission clusters of varying size, duration and connectivity. These insights will help inform approaches to intervention in such epidemics in the future.

Abstract Background Carbapenem-resistant Enterobacterales (CRE) are an urgent global health threat. Inferring the dynamics of local CRE dissemination is currently limited by our inability to confidently trace the spread of resistance determinants to unrelated bacterial hosts. Whole genome sequence comparison is useful for identifying CRE clonal transmission and outbreaks, but high-frequency horizontal gene transfer (HGT) of carbapenem resistance genes and subsequent genome rearrangement complicate tracing the local persistence and mobilization of these genes across organisms. Methods To overcome this limitation, we developed a new approach to identify recent HGT of large, near-identical plasmid segments across species boundaries, which also allowed us to overcome technical challenges with genome assembly. We applied this to complete and near-complete genome assemblies to examine the local spread of CRE in a systematic, prospective collection of all CRE, as well as time- and species-matched carbapenem susceptible Enterobacterales , isolated from patients from four U.S. hospitals over nearly five years. Results Our CRE collection comprised a diverse range of species, lineages and carbapenem resistance mechanisms, many of which were encoded on a variety of promiscuous plasmid types. We found and quantified rearrangement, persistence, and repeated transfer of plasmid segments, including those harboring carbapenemases, between organisms over multiple years. Some plasmid segments were found to be strongly associated with specific locales, thus representing geographic signatures that make it possible to trace recent and localized HGT events. Functional analysis of these signatures revealed genes commonly found in plasmids of nosocomial pathogens, such as functions required for plasmid retention and spread, as well survival against a variety of antibiotic and antiseptics common to the hospital environment. Conclusions Collectively, the framework we developed provides a clearer, high resolution picture of the epidemiology of antibiotic resistance importation, spread, and persistence in patients and healthcare networks.