Abstract The phage lysin field has done nothing but grow in the last decades. As a result, many different research groups around the world are contributing to the field, often with certain methodological differences that pose a challenge to the interpretation and comparison of results. In this work, we present the case study of three Acinetobacter baumannii ‐targeting phage lysins (wild‐type endolysin LysMK34 plus engineered lysins eLysMK34 and 1D10) plus one lysin with broad activity against Gram‐positive bacteria (PlySs2) to provide exemplary evidence on the risks of generalization when using one of the most common lysin evaluation assays: the killing assay with resting cells. To that end, we performed killing assays with the aforementioned lysins using hypo‐, iso‐ and hypertonic buffers plus human serum either as the reaction or the dilution medium in a systematic manner. Our findings stress the perils of creating hypotonic conditions or a hypotonic shock during a killing assay, suggesting that hypotonic buffers should be avoided as a test environment or as diluents before plating to avoid overestimation of the killing effect in the assayed conditions. As a conclusion, we suggest that the nature of both the incubation and the dilution buffers should be always clearly identified when reporting killing activity data, and that for experimental consistency the same incubation buffer should be used as a diluent for posterior serial dilution and plating unless explicitly required by the experimental design. In addition, the most appropriate buffer mimicking the final application must be chosen to obtain relevant results.

ABSTRACT Phage (endo)lysins are thought to be a viable alternative to usual antibiotic chemotherapy to fight resistant bacterial infections. However, a landscape view of lysins’ structure and properties regarding their function, with an applied focus, is somewhat lacking. Current literature suggests that specific features typical of lysins from phages infecting Gram-negative bacteria (G−) (higher net charge, amphipathic helices) are responsible for an improved interaction with G− envelope. Such antimicrobial peptide (AMP)-like elements are also of interest for antimicrobial molecules design. Thus, this study aims to provide an updated view on the primary structural landscape of phage lysins to clarify the evolutionary importance of several sequence-predicted properties, particularly for the interaction with the G− surface. A database of 2,182 lysin sequences was compiled, containing relevant information such as domain architectures, data on the phages’ host bacteria and sequence-predicted physicochemical properties. Based on such classifiers, an investigation on the differential appearance of certain features was conducted. Such analyses revealed different lysin architectural variants that are preferably found in phages infecting certain bacterial hosts. Particularly, some physicochemical properties (higher net charge, hydrophobicity, hydrophobic moment and aliphatic index) were associated to G− phage lysins, appearing specifically at their C-terminal end. Evidences on the remarkable genetic specialization of lysins regarding the features of the bacterial hosts have been provided, specifically supporting the nowadays common hypothesis that lysins from G− usually contain AMP-like regions. IMPORTANCE Phage-encoded lytic enzymes, also called lysins, are one of the most promising alternatives to common antibiotics. The lysins potential as novel antimicrobials to tackle antibiotic-resistant bacteria not only arises from features such as a lower chance to provoke resistance, but also from their versatility as synthetic biology parts. Functional modules derived from lysins are currently being used for the design of novel antimicrobials with desired properties. This study provides a view of the lysins diversity landscape by examining a set of phage lysin genes. This way, we have uncovered the fundamental differences between the lysins from phages that infect bacteria with different superficial architectures, and, thus, also the reach of their specialization regarding cell wall structures. These results provide clarity and evidences to sustain some of the common hypothesis in current literature, as well as make available an updated and characterized database of lysins sequences for further developments.

Phage lysins are a source of novel antimicrobials to tackle the bacterial antibiotic resistance crisis. The engineering of phage lysins is being explored as a game-changing technological strategy for introducing a more precise approach in the way we apply antimicrobial therapy. Such engineering efforts will benefit from a better understanding of lysin structure and function. In this work, the antimicrobial activity of the endolysin from Pseudomonas aeruginosa phage JG004, termed Pae87, has been characterized. This lysin had been previously identified as an antimicrobial agent candidate, able to interact with the Gram-negative surface and disrupt it. Further evidence is hereby provided on this matter, based on a structural and biochemical study. A high-resolution crystal structure of Pae87 complexed with a peptidoglycan fragment showed a separate substrate-binding region within the catalytic domain, 18 Å away from the catalytic site and located at the opposite side of the lysin molecule. This substrate binding region was conserved among phylogenetically related lysins lacking an additional cell wall binding domain, but not among those containing such a module. Two glutamic acids were identified as relevant for the peptidoglycan degradation activity, although Pae87 antimicrobial activity was seemingly unrelated to it. In contrast, an antimicrobial peptide-like region within Pae87 C-terminus, named P87, was found to be able to actively disturb the outer membrane and have antibacterial activity by itself. Therefore, we propose an antimicrobial mechanism for Pae87 in which the P87 peptide plays the role of binding to the outer membrane and disrupting the cell wall function, either with or without the participation of Pae87 catalytic activity.

Endolysins, proteins encoded by phages to lyse their hosts and release their progeny, have evolved to adapt to the structural features of each host. The endolysins from Staphylococcus-infecting phages typically feature complex architectures with two enzymatically active domains (EADs) and one cell wall-binding domain (CBD) belonging to the bacterial SH3 (SH3b) superfamily. This study focuses on three SH3b-like CBDs from exemplary staphylococcal phage endolysins (LysRODI, LysC1C, and LysIPLA5) that were structurally and functionally characterized. While RODI_CBD and C1C_CBD were assigned to the well-known SH3_5 family, a new family, SH3b_T, was identified using the CBD from LysIPLA5 as a model. GFP-fused CBDs were created to assess their differential binding to a collection of staphylococcal strains. IPLA5_CBD showed enhanced binding to Staphylococcus epidermidis, while RODI_CBD and C1C_CBD exhibited distinct binding profiles, with RODI_CBD targeting Staphylococcus aureus specifically and C1C_CBD displaying broad binding. Sequence comparisons suggested that a few differences in key amino acids could be responsible for the latter binding difference. The CBDs modulated the activity spectrum of synthetic EAD-CBD combinations in accordance with the previous binding profiles, but in a manner that was also dependent on the EAD present in the fusion protein. These results serve as a context for the diversity and versatility of SH3b domains in staphylococcal endolysins, providing insights on how (i) the CBDs from this superfamily have diverged to adapt to diverse bacterial ligands in spite of sharing a common fold; and (ii) the evolution of specificity relies on the EAD-CBD combination rather than solely the CBD.