Summary Bacteria living as biofilm are frequently reported to exhibit inherent tolerance to antimicrobial compounds, and might therefore contribute to the persistence of infections. Antimicrobial peptides are attracting increasing interest as new potential antimicrobial therapeutics; however, little is known about potential mechanisms, which might contribute to resistance or tolerance development towards these compounds in biofilms. Here we provide evidence that a spatially distinct subpopulation of metabolically active cells in Pseudomonas aeruginosa biofilms is able to develop tolerance to the antimicrobial peptide colistin. On the contrary, biofilm cells exhibiting low metabolic activity were killed by colistin. We demonstrate that the subpopulation of metabolically active cells is able to adapt to colistin by inducing a specific adaptation mechanism mediated by the pmr operon, as well as an unspecific adaptation mechanism mediated by the mexAB‐oprM genes. Mutants defective in either pmr ‐mediated lipopolysaccharide modification or in mexAB‐oprM ‐mediated antimicrobial efflux were not able to develop a tolerant subpopulation in biofilms. In contrast to the observed pattern of colistin‐mediated killing in biofilms, conventional antimicrobial compounds such as ciprofloxacin and tetracycline were found to specifically kill the subpopulation of metabolically active biofilm cells, whereas the subpopulation exhibiting low metabolic activity survived the treatment. Consequently, targeting the two physiologically distinct subpopulations by combined antimicrobial treatment with either ciprofloxacin and colistin or tetracycline and colistin almost completely eradicated all biofilm cells.

Laboratory evolution experiments have led to important findings relating organism adaptation and genomic evolution. However, continuous monitoring of long-term evolution has been lacking for natural systems, limiting our understanding of these processes in situ. Here we characterize the evolutionary dynamics of a lineage of a clinically important opportunistic bacterial pathogen, Pseudomonas aeruginosa, as it adapts to the airways of several individual cystic fibrosis patients over 200,000 bacterial generations, and provide estimates of mutation rates of bacteria in a natural environment. In contrast to predictions based on in vitro evolution experiments, we document limited diversification of the evolving lineage despite a highly structured and complex host environment. Notably, the lineage went through an initial period of rapid adaptation caused by a small number of mutations with pleiotropic effects, followed by a period of genetic drift with limited phenotypic change and a genomic signature of negative selection, suggesting that the evolving lineage has reached a major adaptive peak in the fitness landscape. This contrasts with previous findings of continued positive selection from long-term in vitro evolution experiments. The evolved phenotype of the infecting bacteria further suggests that the opportunistic pathogen has transitioned to become a primary pathogen for cystic fibrosis patients.

Genome sequencing of bacterial pathogens has advanced our understanding of their evolution, epidemiology, and response to antibiotic therapy. However, we still have only a limited knowledge of the molecular changes in in vivo evolving bacterial populations in relation to long-term, chronic infections. For example, it remains unclear what genes are mutated to facilitate the establishment of long-term existence in the human host environment, and in which way acquisition of a hypermutator phenotype with enhanced rates of spontaneous mutations influences the evolutionary trajectory of the pathogen. Here we perform a retrospective study of the DK2 clone type of P. aeruginosa isolated from Danish patients suffering from cystic fibrosis (CF), and analyze the genomes of 55 bacterial isolates collected from 21 infected individuals over 38 years. Our phylogenetic analysis of 8,530 mutations in the DK2 genomes shows that the ancestral DK2 clone type spread among CF patients through several independent transmission events. Subsequent to transmission, sub-lineages evolved independently for years in separate hosts, creating a unique possibility to study parallel evolution and identification of genes targeted by mutations to optimize pathogen fitness (pathoadaptive mutations). These genes were related to antibiotic resistance, the cell envelope, or regulatory functions, and we find that the prevalence of pathoadaptive mutations correlates with evolutionary success of co-evolving sub-lineages. The long-term co-existence of both normal and hypermutator populations enabled comparative investigations of the mutation dynamics in homopolymeric sequences in which hypermutators are particularly prone to mutations. We find a positive exponential correlation between the length of the homopolymer and its likelihood to acquire mutations and identify two homopolymer-containing genes preferentially mutated in hypermutators. This homopolymer facilitated differential mutagenesis provides a novel genome-wide perspective on the different evolutionary trajectories of hypermutators, which may help explain their emergence in CF infections.

spa typing of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) has traditionally been done by PCR amplification and Sanger sequencing of the spa repeat region. At Hvidovre Hospital, Denmark, whole-genome sequencing (WGS) of all MRSA isolates has been performed routinely since January 2013, and an in-house analysis pipeline determines the spa types. Due to national surveillance, all MRSA isolates are sent to Statens Serum Institut, where the spa type is determined by PCR and Sanger sequencing. The purpose of this study was to evaluate the reliability of the spa types obtained by 150-bp paired-end Illumina WGS. MRSA isolates from new MRSA patients in 2013 (n = 699) in the capital region of Denmark were included. We found a 97% agreement between spa types obtained by the two methods. All isolates achieved a spa type by both methods. Nineteen isolates differed in spa types by the two methods, in most cases due to the lack of 24-bp repeats in the whole-genome-sequenced isolates. These related but incorrect spa types should have no consequence in outbreak investigations, since all epidemiologically linked isolates, regardless of spa type, will be included in the single nucleotide polymorphism (SNP) analysis. This will reveal the close relatedness of the spa types. In conclusion, our data show that WGS is a reliable method to determine the spa type of MRSA.

Abstract Despite intensive antibiotic treatment of cystic fibrosis (CF) patients, Pseudomonas aeruginosa often persists in patient airways for decades, and can do so without the development of antibiotic resistance. Using a high-throughput screening assay of survival after treatment with high concentrations of ciprofloxacin, we have determined the prevalence of high-persister variants (Hip) in a large patient cohort. In a screen of 467 longitudinal clinical isolates of P. aeruginosa from 40 CF patients, we classified 25.7% as Hip. Hip were identified in 26 patients, but only a few bacterial lineages were dominated by Hip. Instead, the emergence of Hip increased over time, suggesting that CF airways treated with ciprofloxacin select for Hip with an increased fitness in this environment. We generally observed diverse genetic changes in the Hip isolate population (as many co-occurring routes to increased fitness exist), but interestingly elevated mutation counts in the RpoN gene of 18 Hip isolates suggest that this sigma factor plays a role in shaping levels of antibiotic tolerance. To probe the impact of the Hip phenotype in a CF-similar environment, we tested the fitness properties of otherwise genotypically and phenotypically similar low-persister (Lop) and Hip isolates in co-culture using a specialized flow-cell biofilm system mimicking pharmacokinetic/-dynamic antibiotic dosing. Hip survived ciprofloxacin treatment far better than Lop isolates. The results of this investigation provide novel insights into persister dynamics and fitness contributions to survival in the CF lung, and show that the Hip phenotype of antibiotic susceptible bacteria plays an important role in long-term infections. Significance Antibiotic resistance is emphasized as a rapidly increasing health threat, but antibiotic tolerance via the occurrence of persister cells in antibiotic-treated bacterial populations is clinically and publicly neglected. In 40 CF patients representing a well-established human infection model – long-term lung infections by Pseudomonas aeruginosa – we show the emergence and accumulation of persister variants in a clinical population heavily reliant on antibiotic therapy. We observe that the high-persister (Hip) phenotype is independent of resistance and likely the consequence of numerous genetic alterations, complicating surveillance and inhibition in the clinic. Furthermore, we find Hip are selected for over time, survive better than ‘normal’ bacteria, and can outcompete them in CF-similar conditions, ultimately affecting 65% of patients in an early disease cohort.

Abstract Bacteria use type VI secretion systems (T6SSs) to deliver effector proteins into other cells or the extracellular space. Those effectors kill microbes 1 , manipulate eukaryotic cells 2 , and sequester nutrients 3 . Which T6SS-mediated functions are generalisable across bacteria of a species or are specific to particular strains is little known. Here, we use genomics to test for the intraspecific diversity of T6SS effectors in the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa . We found effectors that are omnipresent and conserved across strains acting as ‘core effectors’, while additional ‘accessory effectors’ vary. In vitro and in vivo experiments demonstrate different roles of the two types of effectors in bacterial killing and virulence. Further, effectors compose various effector combinations. Within one local population of clinical isolates, we observed 36 combinations among 52 bacterial lineages. These findings show the distinct contribution of T6SS effectors to strain-level variation of a bacterial pathogen and might reveal conserved targets for novel antibiotics.

Abstract Achromobacter species are increasingly being detected in patients with cystic fibrosis (CF), and this emerging pathogen is associated with antibiotic resistance and more severe disease outcomes. Nonetheless, little is known about the extent of transmission and antibiotic resistance development in Achromobacter infections. We sequenced the genomes of 101 clinical isolates of Achromobacter ( A. xylosoxidans based on MALDI-TOF/API N20 typing) collected from 51 patients with CF—the largest longitudinal dataset to-date. We performed phylogenetic analysis on the genomes and combined this with epidemiological and antibiotic resistance data to identify patient-to-patient transmission and development of antibiotic resistance. We found that MALDI-TOF/API N20 was not sufficient for Achromobacter species-level typing, and that the population of Achromobacter isolates was composed of five different species where A. xylosoxidans accounted for 52% of infections. Most patients were infected by unique Achromobacter clone types; nonetheless, suspected patient-to-patient transmission cases identified by shared clone types were observed in 35% (N=18) of patients. In 15 of 16 cases the suspected transmissions were further supported by genome- or clinic visit-based epidemiological analysis. Finally, we found that resistance developed over time. We show that whole-genome sequencing (WGS) is essential for Achromobacter species typing and patient-to-patient transmission identification which was identified in A. ruhlandii, A. xylosoxidans and, for the first time, A. insuavis . Furthermore, we show that the development of antibiotic resistance is associated with chronic Achromobacter infections. Our findings emphasize that transmission and antibiotic resistance should be considered in future treatment strategies.

Abstract Achromobacter is an emerging pathogen in patients with cystic fibrosis (CF) and Achromobacter caused infections are associated with more severe disease outcomes and high intrinsic antibiotic resistance. While conventional CF pathogens are studied extensively, little is known about the genetic determinants leading to antibiotic resistance and the genetic adaptation in Achromobacter infections. Here, we analyzed 101 Achromobacter genomes from 51 patients with CF isolated during the course of up to 20 years of infection to identify within-host adaptation, mutational signatures, and genetic variation associated with increased antibiotic resistance. We found that the same regulatory and inorganic ion transport genes were frequently mutated in persisting clone types within and between Achromobacter species indicating convergent genetic adaptation. Genome-wide association study (GWAS) of six antibiotic resistance phenotypes revealed the enrichment of associated genes involved in inorganic ion transport genes, transcription gene enrichment in β-lactams, and energy production and translation gene enrichment in the trimethoprim/sulfonamide group. Overall, we provide insights into the pathogenomics of Achromobacter infections in patients with CF airways. Since emerging pathogens are increasingly recognised as an important healthcare issue, our findings on evolution of antibiotic resistance and genetic adaptation can facilitate better understanding of disease progression and how mutational changes have implications for patients with CF.