Abstract Bacteriophages may express multiple receptor binding proteins, enabling the recognition of distinct and diverse bacterial receptors for infection of a broad range of strains. Ackermannviridae phages recognize diverse O-antigens or K-antigens as receptors by expressing multiple tail spike proteins (TSPs). These TSPs interact and form a branched protein complex protruding from the baseplate attached to the distal tail. Here, we aimed to mimic the evolution of the TSP complex by studying the acquisition of new TSPs without disrupting the functionality of the complex. Using kuttervirus phage S117 as a backbone, we demonstrated the acquisition of entire tsp genes from Kuttervirus and Agtrevirus phages within the Ackermannviridae family. A fifth TSP was designed to interact with the complex and provide new host recognition to expand the branched TSP complex. Interestingly, the acquisition of tsp5 resulted in new variants of the branched TSP complex due to the exchange or deletion of tsp genes. Overall, our study provides novel insight into the development of the branched TSP complex, enabling Ackermannviridae phages to adapt to new hosts.

Bacteriophage-encoded endolysins degrading the essential peptidoglycan of bacteria are promising alternative antimicrobials to handle the global threat of antibiotic resistant bacteria. However, endolysins have limited use against Gram-negative bacteria, since their outer membrane prevents access to the peptidoglycan. Here we present Innolysins, a novel concept for engineering endolysins that allows the enzymes to pass through the outer membrane, hydrolyse the peptidoglycan and kill the target bacterium. Innolysins combine the enzymatic activity of endolysins with the binding capacity of phage receptor binding proteins (RBPs). As our proof of concept, we used phage T5 endolysin and receptor binding protein Pb5, which binds irreversibly to the phage receptor FhuA involved in ferrichrome transport in Escherichia coli. In total, we constructed twelve Innolysins fusing endolysin with Pb5 or the binding domain of Pb5 with or without flexible linkers in between. While the majority of the Innolysins maintained their muralytic activity, Innolysin#6 also showed bactericidal activity against E. coli reducing the number of bacteria by 1 log, thus overcoming the outer membrane barrier. Using an E. coli fhuA deletion mutant, we demonstrated that FhuA is required for bactericidal activity, supporting that the specific binding of Pb5 to its receptor on E. coli is needed for the endolysin to access the peptidoglycan. Accordingly, Innolysin#6 was able to kill other bacterial species that carry conserved FhuA homologs such as Shigella sonnei and Pseudomonas aeruginosa. In summary, the Innolysin approach expands recent protein engineering strategies allowing customization of endolysins by exploiting phage RBPs to specifically target Gram-negative bacteria.

Abstract Flagellotropic bacteriophages are interesting candidates as therapeutics against pathogenic bacteria dependent on flagellar motility for colonization and causing disease. Yet, phage resistance other than loss of motility has been scarcely studied. Here we developed a soft agar assay to study flagellotropic phage F341 resistance in motile Campylobacter jejuni . We found that phage adsorption was prevented by diverse genetic mutations in the lipooligosaccharides forming the secondary receptor of phage F341. Genome sequencing showed phage F341 belongs to the Fletchervirus genus otherwise comprising capsular-dependent C. jejuni phages. Interestingly, phage F341 encodes a hybrid receptor binding protein (RBP) predicted as a short tail fiber showing partial similarity to RBP1 encoded by capsular-dependent Fletchervirus, but with a receptor binding domain similar to tail fiber protein H of C. jejuni CJIE1 prophages. Thus, C. jejuni prophages may represent a genetic pool from where lytic Fletchervirus phages can acquire new traits like recognition of new receptors.

ABSTRACT Pyocins are high molecular weight bacteriocins produced by Pseudomonas aeruginosa that can be retargeted to new bacterial species by exchanging the pyocin tail fibers with bacteriophage receptor binding proteins (RBPs). Here, we develop retargeted pyocins called campycins as new antibacterials to specifically and effectively kill the major foodborne pathogen Campylobacter jejuni. We used two diverse RBPs (H-fibers) encoded by CJIE1 prophages found in the genomes of C. jejuni strains CAMSA2147 and RM1221 to construct Campycin 1 and Campycin 2, respectively. Together Campycin 1 and 2 could target all C. jejuni strains tested due to complementary antibacterial spectrums. In addition, both campycins led to more than 3 log reductions in C. jejuni counts under microaerobic conditions at 42°C, whereas the killing efficiency was less efficient under anaerobic conditions at 5°C. We furthermore discovered that both H-fibers used to construct the campycins bind to the essential major outer membrane protein (MOMP) present in all C. jejuni, in a strain specific manner. Protein sequence alignment and structural modelling suggest that the highly variable extracellular loops of MOMP form the binding sites of the diverse H-fibers. Further in silico analyses of 5000 MOMP sequences suggest that the protein fall into three major clades predicted to be targeted by either Campycin 1 or Campycin 2. Thus, campycins are promising antibacterials against C. jejuni expected to broadly target numerous strains of this human pathogen found in nature and agriculture. IMPORTANCE Campylobacter jejuni is the leading cause of bacterial foodborne gastroenteritis and responsible for more than 800 million cases globally each year posing a continuous risk to human health and a huge economic and societal burden. Here, we developed re-targeted R2 pyocins (campycins) as novel antibacterials against C. jejuni by using the receptor binding proteins of CJIE1 prophages observed in many C. jejuni genomes. Notably, campycins broadly target the highly variable yet essential major outer membrane protein (MOMP), and result in more than 3-log reductions in C. jejuni counts under conditions promoting bacterial growth. We therefore propose that campycins have the potential to lower C. jejuni colonization levels in the chicken gut, the main reservoir and cause of human disease, representing a novel efficient antibacterial solution specifically developed to target this widespread foodborne pathogen.

SUMMARY Novel solutions are needed to reduce the risk of transmission of extended spectrum β-lactamase and AmpC β-lactamase producing Escherichia coli (ESBL/AmpC E. coli ) in livestock to humans. Since phages are promising biocontrol agents, we established a collection of 28 phages against ESBL/AmpC E. coli and showed by whole genome sequencing that all phages were unique and could be assigned to 15 different genera. Host range analysis showed that 82% of 198 strains, representing the genetic diversity of ESBL/AmpC E. coli , were sensitive to at least one phage. Identifying receptors used for initial binding experimentally as well as in silico predictions, allowed us to combine phages into two different cocktails with broad host range targeting diverse receptors. These phage cocktails inhibit growth and kill ESBL/AmpC E. coli in vitro , thus suggesting the potential of phages as promising biocontrol agents. HIGHLIGHTS 28 unique phages infecting ESBL/AmpC E. coli were isolated and characterized Broad host range phages targeting different receptors were used to compose phage cocktails Phage cocktails efficiently inhibit growth of ESBL/AmpC E. coli in vitro

Abstract Bacteriophages in the Agtrevirus genus are known for expressing multiple tail spike proteins (TSPs), but little is known about their genetic diversity and host recognition apart from their ability to infect diverse Enterobacteriaceae species. Here we aim to determine the genetic differences that may account for the diverse host ranges of Agrevirus phages. We performed comparative genomics of 14 Agtrevirus and identified only a few genetic differences including genes involved in nucleotide metabolism. Most notably was the diversity of the tsp gene cluster, specifically in the receptor binding domains that were unique among most of the phages. We further characterized agtrevirus AV101 infecting nine diverse Extended Spectrum β-lactamase (ESBL) E. coli and demonstrated that this phage encoded four unique TSPs among Agtrevirus . Purified TSPs formed translucent zones and inhibited AV101 infection of specific hosts, demonstrating that TSP1, TSP2, TSP3, and TSP4 recognize O8, O82, O153, and O159 O-antigens of ESBL E. coli , respectively. BLASTp analysis showed that the receptor binding domain of TSP1, TSP2, TSP3 and TSP4 are similar to TSPs encoded by E. coli prophages and distant related virulent phages. Thus, Agtrevirus may have gained their receptor binding domains by recombining with prophages or virulent phages. Overall, combining bioinformatic and biological data expands the understanding of TSP host recognition of Agtrevirus and give new insight into the origin and acquisition of receptor binding domains of Ackermannviridae phages. One sentence summary Agtrevirus phage AV101 express four unique tail spike proteins that recognize different O-antigens of Extended Spectrum β-Lactamase producing E. coli .