The structure and dynamics of bacterial communities in the airways of persons with cystic fibrosis (CF) remain largely unknown. We characterized the bacterial communities in 126 sputum samples representing serial collections spanning 8-9 y from six age-matched male CF patients. Sputum DNA was analyzed by bar-coded pyrosequencing of the V3-V5 hypervariable region of the 16S rRNA gene, defining 662 operational taxonomic units (OTUs) from >633,000 sequences. Bacterial community diversity decreased significantly over time in patients with typically progressive lung disease but remained relatively stable in patients with a mild lung disease phenotype. Antibiotic use, rather than patient age or lung function, was the primary driver of decreasing diversity. Interpatient variability in community structure exceeded intrapatient variability in serial samples. Antibiotic treatment was associated with pronounced shifts in community structure, but communities showed both short- and long-term resilience after antibiotic perturbation. There was a positive correlation between OTU occurrence and relative abundance, with a small number of persistent OTUs accounting for the greatest abundance. Significant changes in community structure, diversity, or total bacterial density at the time of pulmonary exacerbation were not observed. Despite decreasing community diversity in patients with progressive disease, total bacterial density remained relatively stable over time. These findings show the critical relationship between airway bacterial community structure, disease stage, and clinical state at the time of sample collection. These features are the key parameters with which to assess the complex ecology of the CF airway.

We investigated the use of ribosomal RNA (rRNA) as a probe for molecular epidemiology of bacterial pathogens. The chromosomal DNA of Escherichia coli, Pseudomonas cepacia, and nontypable Haemophilus influenzae was digested with EcoR1. Agarose gel electrophoresis, Southern blotting, and hybridization by 32P-labeled rRNA revealed eight to 13 bands. The P. cepacia and H. influenzae banding patterns, observed by using an E. coli rRNA probe, were identical to those produced with homologous rRNA probes. Polymorphism of several hybridization bands distinguished all E. coli isolates, nine of 10 H influenzae isolates, and seven of eight P. cepacia isolates. Two to four bands were common to all P. cepacia and E. coli isolates. The banding patterns of H. influenzae isolates cultured from the trachea and blood of an infant and from the mother's cervix were identical. These data demonstrate that this method is a widely applicable system for determining the molecular epidemiology of genetically diverse gram negative organisms.

ABSTRACT Pseudomonas aeruginosa is the major opportunistic bacterial pathogen in persons with cystic fibrosis (CF); pulmonary infection occurs in approximately 80% of adult CF patients. Much of CF patient management depends on accurate identification of P. aeruginosa from sputum culture. However, identification of this species may be problematic due to the marked phenotypic variability demonstrated by CF sputum isolates and the presence of other closely related species. To facilitate species identification, we used 16S ribosomal DNA (rDNA) sequence data to design PCR assays intended to provide genus- or species-level identification. Both assays yielded DNA fragments of the predicted size. We tested 42 culture collection strains (including 14 P. aeruginosa strains and 28 strains representing 16 other closely related Pseudomonas species) and 43 strains that had been previously identified as belonging to 28 nonpseudomonal species also recovered from CF patient sputum. Based on these 85 strains, the specificity and sensitivity of both assays were 100%. To further assess the utility of the PCR assays, we tested 66 recent CF sputum isolates. The results indicated that preliminary phenotypic testing had misidentified several isolates. The 16S rDNA sequence was determined for 38 isolates, and in all cases it confirmed the results of the PCR assays. Thus, we have designed two PCR assays: one is specific for the genus Pseudomonas , while the other is specific for P. aeruginosa . Both assays show 100% sensitivity and specificity.

Roy Kishony and colleagues sequenced the genomes of 112 Burkholderia dolosa isolates recovered from 14 individuals with cystic fibrosis as part of a retrospective study from a hospital epidemic monitored over the course of 16 years. They tracked recurrent mutations occurring in the bacterial isolates and found that 17 genes showed evidence of parallel adaptive evolution. Bacterial pathogens evolve during the infection of their human host1,2,3,4,5,6,7,8, but separating adaptive and neutral mutations remains challenging9,10,11. Here we identify bacterial genes under adaptive evolution by tracking recurrent patterns of mutations in the same pathogenic strain during the infection of multiple individuals. We conducted a retrospective study of a Burkholderia dolosa outbreak among subjects with cystic fibrosis, sequencing the genomes of 112 isolates collected from 14 individuals over 16 years. We find that 17 bacterial genes acquired nonsynonymous mutations in multiple individuals, which indicates parallel adaptive evolution. Mutations in these genes affect important pathogenic phenotypes, including antibiotic resistance and bacterial membrane composition and implicate oxygen-dependent regulation as paramount in lung infections. Several genes have not previously been implicated in pathogenesis and may represent new therapeutic targets. The identification of parallel molecular evolution as a pathogen spreads among multiple individuals points to the key selection forces it experiences within human hosts.

The 2013 Infection Prevention and Control (IP&C) Guideline for Cystic Fibrosis (CF) was commissioned by the CF Foundation as an update of the 2003 Infection Control Guideline for CF. During the past decade, new knowledge and new challenges provided the following rationale to develop updated IP&C strategies for this unique population: 1. The need to integrate relevant recommendations from evidence-based guidelines published since 2003 into IP&C practices for CF . These included guidelines from the Centers for Disease Control and Prevention (CDC)/Healthcare Infection Control Practices Advisory Committee (HICPAC), the World Health Organization (WHO), and key professional societies, including the Infectious Diseases Society of America (IDSA) and the Society for Healthcare Epidemiology of America (SHEA). During the past decade, new evidence has led to a renewed emphasis on source containment of potential pathogens and the role played by the contaminated healthcare environment in the transmission of infectious agents. Furthermore, an increased understanding of the importance of the application of implementation science, monitoring adherence, and feedback principles has been shown to increase the effectiveness of IP&C guideline recommendations. 2. Experience with emerging pathogens in the non-CF population has expanded our understanding of droplet transmission of respiratory pathogens and can inform IP&C strategies for CF . These pathogens include severe acute respiratory syndrome coronavirus and the 2009 influenza A H1N1. Lessons learned about preventing transmission of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and multidrug-resistant gram-negative pathogens in non-CF patient populations also can inform IP&C strategies for CF.

Burkholderia xenovorans LB400 (LB400), a well studied, effective polychlorinated biphenyl-degrader, has one of the two largest known bacterial genomes and is the first nonpathogenic Burkholderia isolate sequenced. From an evolutionary perspective, we find significant differences in functional specialization between the three replicons of LB400, as well as a more relaxed selective pressure for genes located on the two smaller vs. the largest replicon. High genomic plasticity, diversity, and specialization within the Burkholderia genus are exemplified by the conservation of only 44% of the genes between LB400 and Burkholderia cepacia complex strain 383. Even among four B. xenovorans strains, genome size varies from 7.4 to 9.73 Mbp. The latter is largely explained by our findings that >20% of the LB400 sequence was recently acquired by means of lateral gene transfer. Although a range of genetic factors associated with in vivo survival and intercellular interactions are present, these genetic factors are likely related to niche breadth rather than determinants of pathogenicity. The presence of at least eleven “central aromatic” and twenty “peripheral aromatic” pathways in LB400, among the highest in any sequenced bacterial genome, supports this hypothesis. Finally, in addition to the experimentally observed redundancy in benzoate degradation and formaldehyde oxidation pathways, the fact that 17.6% of proteins have a better LB400 paralog than an ortholog in a different genome highlights the importance of gene duplication and repeated acquirement, which, coupled with their divergence, raises questions regarding the role of paralogs and potential functional redundancies in large-genome microbes.

Abstract Polymicrobial infection of the airways is a hallmark of obstructive lung diseases such as cystic fibrosis (CF), non-CF bronchiectasis, and chronic obstructive pulmonary disease. Pulmonary exacerbations (PEx) in these conditions are associated with accelerated lung function decline and higher mortality rates. Understanding PEx ecology is challenged by high inter-patient variability in airway microbial community profiles. We analyze bacterial communities in 880 CF sputum samples collected during an observational prospective cohort study and develop microbiome descriptors to model community reorganization prior to and during 18 PEx. We identify two microbial dysbiosis regimes with opposing ecology and dynamics. Pathogen-governed PEx show hierarchical community reorganization and reduced diversity, whereas anaerobic bloom PEx display stochasticity and increased diversity. A simulation of antimicrobial treatment predicts better efficacy for hierarchically organized communities. This link between PEx, microbiome organization, and treatment success advances the development of personalized clinical management in CF and, potentially, other obstructive lung diseases.

Abstract Ralstonia insidiosa and Chryseobacterium gleum are bacterial species commonly found in potable water systems and these two species contribute to the robustness of biofilm formation in a model six-species community from the International Space Station (ISS) potable water system. Here, we set about characterizing the interaction between these two ISS-derived strains and examining the extent to which this interaction extends to other strains and species in these two genera. The enhanced biofilm formation between the ISS strains of R. insidiosa and C. gleum is robust to starting inoculum and temperature, occurs in some but not all tested growth media, and evidence does not support a soluble mediator or co-aggregation mechanism. These findings shed light on the ISS R. insidiosa and C. gleum interaction, though such enhancement is not common between these species based on our examination of other R. insidiosa and C. gleum strains, as well as other species of Ralstonia and Chryseobacterium. Thus, while the findings presented here increase our understanding of the ISS potable water model system, not all our findings are broadly extrapolatable to strains found outside of the ISS. Importance Biofilms present in drinking water systems and terminal fixtures are important for human health, pipe corrosion, and water taste. Here we examine the enhanced biofilm of cu-cultures for two very common bacteria from potable water systems, Ralstonia insidiosa and Chryseobacterium gleum . While strains originally isolated on the International Space Station show enhanced dual-species biofilm formation, terrestrial strains do not show the same interaction properties. This study contributes to our understanding of these two species in both dual and mono-culture biofilm formation.

Burkholderia gladioli is one of few bacteria with a broad ecology spanning disease in humans, animals, and plants, and encompassing beneficial interactions with multiple eukaryotic hosts. It is a plant pathogen, a bongkrekic acid toxin producing food-poisoning agent, and a lung pathogen in people with cystic fibrosis (CF). Contrasting beneficial traits include antifungal production exploited by insects to protect their eggs, plant protective abilities and antibiotic biosynthesis. We explored the ecological diversity and specialized metabolite biosynthesis of 206 B. gladioli strains, phylogenomically defining 5 evolutionary clades. Historical disease pathovars (pv) B. gladioli pv. allicola and B. gladioli pv. cocovenenans were phylogenetically distinct, while B. gladioli pv. gladioli and B. gladioli pv. agaricicola were indistinguishable. Soft-rot disease and CF infection pathogenicity traits were conserved across all pathovars. Biosynthetic gene clusters for toxoflavin, caryoynencin and enacyloxin were dispersed across B. gladioli , but bongkrekic acid and gladiolin production were clade specific. Strikingly, 13% of CF-infection strains characterised (n=194) were bongkrekic acid toxin positive, uniquely linking this food-poisoning risk factor to chronic lung disease. Toxin production was suppressed by exposing strains to the antibiotic trimethoprim, providing a potential therapeutic strategy to minimise poisoning risk in CF.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Nontuberculous mycobacteria (NTM) in drinking water are a significant public health concern. However, an incomplete understanding of the factors that influence the occurrence of NTM in drinking water limits our ability to characterize risk and prevent infection. This study sought to evaluate the influence of season and water treatment, distribution, and stagnation on NTM in drinking water. Samples were collected source-to-tap in a full-scale, chloraminated drinking water system approximately monthly from December 2019 to November 2020. NTM were characterized using culture-dependent (plate culture with matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry [MALDI-TOF MS] isolate analysis) and culture-independent methods (quantitative PCR and genome resolved metagenomics). Sampling locations included source waters, three locations within the treatment plant, and five buildings receiving water from the distribution system. Building plumbing samples consisted of first draw, five-minute flush, and full flush cold-water samples. As the study took place during the COVID-19 pandemic, the influence of reduced water usage in three of the five buildings was also investigated. The highest concentrations of NTM source-to-tap were found in the summer first draw building water samples (10 7 gene copies/L), which also had the lowest chloramine concentrations. Flushing was found to be effective for reducing NTM and restoring disinfectant residuals, though flush times necessary to improve water quality varied by building. Clinically-relevant NTM species, including Mycobacterium avium , were recovered via plate culture, with increased occurrence observed in buildings with higher water age. Four of five NTM metagenome-assembled genomes were identified to the species level and matched identified isolates.