Sequencing of pathogen DNA directly from clinical samples offers the possibilities of rapid diagnosis, faster antimicrobial resistance prediction and enhanced outbreak investigation. The approach is especially advantageous for infections caused by species which grow very slowly in culture, such as Mycobacteria tuberculosis. Since the pathogen of interest may represent as little as 0.01% of the total DNA, enrichment of the input material for target sequences by specific amplification and, or depletion of non-target DNA (human, other bacteria) is essential for success. Here, we investigated the potential of isothermal multiple displacement amplification by Phi29 polymerase. We directed the amplification reaction towards Mycobacteria DNA in sputum samples by exploiting in our oligonucleotide primer design, their high GC content (approximately 65%) relative to human DNA. Amplified DNA was then sequenced using the Oxford Nanopore Technology MinION. In addition, a model system comprising standardised ‘mock clinical samples’ was designed. Pooled infection negative human sputum samples were spiked with enumerated Mycobacterium bovis (BCG) Pasteur strain at concentrations spanning the typical range at which Mycobacterium tuberculosis is found in human sputum samples (106 - 101 BCG cells/ml). To assess the amount of BCG sequence enrichment achieved, sample DNA was sequenced both before, and after amplification. Reads from amplified samples, which mapped to a BCG reference genome, comprised short repeated sequences - apparently transcribed multiple times from the same fragment of BCG DNA. Therefore post-amplification, the samples were enriched for BCG sequences relative to unamplified sequences (8,101 BCG reference mapped reads, increasing to 28,617 at 106 BCG cells/ml sample), but BCG genome coverage declined markedly (for example 89.4% to 4.1%). In summary, the use of standardised mock clinical samples allowed direct comparison of data from different Mycobacteria enrichment experiments and sequencing runs. However, optimal conditions for multiple displacement amplification of minority Mycobacteria DNAs, remain to be identified.

The SARS-CoV-2 genome occupies a unique place in infection biology - it is the most highly sequenced genome on earth (making up over 20% of public sequencing datasets) with fine scale information on sampling date and geography, and has been subject to unprecedented intense analysis. As a result, these phylogenetic data are an incredibly valuable resource for science and public health. However, the vast majority of the data was sequenced by tiling amplicons across the full genome, with amplicon schemes that changed over the pandemic as mutations in the viral genome interacted with primer binding sites. In combination with the disparate set of genome assembly workflows and lack of consistent quality control (QC) processes, the current genomes have many systematic errors that have evolved with the virus and amplicon schemes. These errors have significant impacts on the phylogeny, and therefore over the last few years, many thousands of hours of researchers time has been spent in "eyeballing" trees, looking for artefacts, and then patching the tree. Given the huge value of this dataset, we therefore set out to reprocess the complete set of public raw sequence data in a rigorous amplicon-aware manner, and build a cleaner phylogeny. Here we provide a global tree of 3,960,704 samples, built from a consistently assembled set of high quality consensus sequences from all available public data as of March 2023, viewable at https://viridian.taxonium.org. Each genome was constructed using a novel assembly tool called Viridian (https://github.com/iqbal-lab-org/viridian), developed specifically to process amplicon sequence data, eliminating artefactual errors and mask the genome at low quality positions. We provide simulation and empirical validation of the methodology, and quantify the improvement in the phylogeny. Phase 2 of our project will address the fact that the data in the public archives is heavily geographically biased towards the Global North. We therefore have contributed new raw data to ENA/SRA from many countries including Ghana, Thailand, Laos, Sri Lanka, India, Argentina and Singapore. We will incorporate these, along with all public raw data submitted between March 2023 and the current day, into an updated set of assemblies, and phylogeny. We hope the tree, consensus sequences and Viridian will be a valuable resource for researchers.

Human metapneumovirus (HMPV) has been recognized as an important pathogen which can cause a spectrum of respiratory tract disease. Here, we report Nanopore metagenomic sequencing of the first full length HMPV genome directly from a throat swab from a UK patient with complex lung disease and immunocompromise. We found a predominance (26.4%) of HMPV reads in the metagenomic sequencing data and consequently assembled the full genome at a high depth of coverage (mean 4,786). Through phylogenetic analyses, we identified this HMPV strain to originate from a unique genetic group in A2b, showing the presence of this group in the UK. Our study demonstrated the effectiveness of Nanopore metagenomic sequencing for diagnosing infectious diseases and recovering complete sequences for genomic characterization, highlighting the applicability of Nanopore sequencing in clinical settings.

Influenza is a major global public health threat as a result of its highly pathogenic variants, large zoonotic reservoir, and pandemic potential. Metagenomic viral sequencing offers the potential of a diagnostic test for influenza which also provides insights on transmission, evolution and drug resistance, and simultaneously detects other viruses. We therefore set out to apply Oxford Nanopore Technology to metagenomic sequencing of respiratory samples. We generated influenza reads down to a limit of detection of 102-103 genome copies/ml in pooled samples, observing a strong relationship between the viral titre and the proportion of influenza reads (p = 4.7x10-5). Applying our methods to clinical throat swabs, we generated influenza reads for 27/27 samples with high-to-mid viral titres (Cycle threshold (Ct) values <30) and 6/13 samples with low viral titres (Ct values 30-40). No false positive reads were generated from 10 influenza-negative samples. Thus Nanopore sequencing operated with 83% sensitivity (95% CI 67-93%) and 100% specificity (95% CI 69-100%) compared to the current diagnostic standard. Coverage of full length virus was dependent on sample composition, being negatively influenced by increased host and bacterial reads. However, at high influenza titres, we were able to reconstruct >99% complete sequence for all eight gene segments. We also detected Human Coronavirus and generated a near complete Human Metapneumovirus genome from clinical samples. While further optimisation is required to improve sensitivity, this approach shows promise for the Nanopore platform to be used in the diagnosis and genetic analysis of influenza and other respiratory viruses.

Culture of multiple periprosthetic tissue samples is the current gold-standard for microbiological diagnosis of prosthetic joint infections (PJI). Additional diagnostic information may be obtained through sonication fluid culture of explants. However, current techniques can have relatively low sensitivity, with prior antimicrobial therapy and infection by fastidious organisms influencing results. We assessed if metagenomic sequencing of complete bacterial DNA extracts obtained direct from sonication fluid can provide an alternative rapid and sensitive tool for diagnosis of PJI. We compared metagenomic sequencing with standard aerobic and anaerobic culture in 97 sonication fluid samples from prosthetic joint and other orthopaedic device infections. Reads from Illumina MiSeq sequencing were taxonomically classified using Kraken. Using 50 samples (derivation set), we determined optimal thresholds for the number and proportion of bacterial reads required to identify an infection and validated our findings in 47 independent samples. Compared to sonication fluid culture, the species-level sensitivity of metagenomic sequencing was 61/69(88%,95%CI 77-94%) (derivation samples 35/38[92%,79-98%]; validation 26/31[84%,66-95%]), and genus-level sensitivity was 64/69(93%,84-98%). Species-level specificity, adjusting for plausible fastidious causes of infection, species found in concurrently obtained tissue samples, and prior antibiotics, was 85/97(88%,79-93%) (derivation 43/50[86%,73-94%], validation 42/47[89%,77-96%]). High levels of human DNA contamination were seen despite use of laboratory methods to remove it. Rigorous laboratory good practice was required to prevent bacterial DNA contamination. We demonstrate metagenomic sequencing can provide accurate diagnostic information in PJI. Our findings combined with increasing availability of portable, random-access sequencing technology offers the potential to translate metagenomic sequencing into a rapid diagnostic tool in PJI.

Mycobacterium tuberculosis (MTB) is the leading cause of death from bacterial infection. Improved rapid diagnosis and antimicrobial resistance determination, such as by whole genome sequencing, are required. Our aim was to develop a simple, low-cost method of preparing DNA for Oxford Nanopore Technologies (ONT) sequencing direct from MTB positive clinical samples (without culture). Simultaneous sputum liquefaction, bacteria heat-inactivation (99ºC/30min) and enrichment for Mycobacteria DNA was achieved using an equal volume of thermo-protection buffer (4M KCl, 0.05M HEPES buffer pH7.5, 0.1% DTT). The buffer emulated intracellular conditions found in hyperthermophiles, thus protecting DNA from rapid thermo-degradation, which renders it a poor template for sequencing. Initial validation employed Mycobacteria DNA (extracted or intracellular). Next, mock clinical samples (infection-negative human sputum spiked 0-105 BCG cells/ml) underwent liquefaction in thermo-protection buffer and heat-inactivation. DNA was extracted and sequenced. Human DNA degraded faster than Mycobacteria DNA, resulting in target enrichment. Four replicate experiments each demonstrated detection at 101 BCG cells/ml, with 31-59 MTB complex reads. Maximal genome coverage (>97% at 5x-depth) was achieved at 104 BCG cells/ml; >91% coverage (1x depth) at 103 BCG cells/ml. Final validation employed MTB positive clinical samples (n=20), revealed initial sample volumes ≥1ml typically yielded higher mean depth of MTB genome coverage, the overall range 0.55-81.02. A mean depth of 3 gave >96% one-fold TB genome coverage (in 15/20 clinical samples). A mean depth of 15 achieved >99% five-fold genome coverage (in 9/20 clinical samples). In summary, direct-from-sample sequencing of MTB genomes was facilitated by a low cost thermo-protection buffer.

Intrathecal IgM production in multiple sclerosis (MS) is associated with a worse disease course. To investigate pathogenic relevance of autoreactive IgM in MS, CSF from two independent cohorts, including MS patients and controls, were screened for antibody binding to induced pluripotent stem cell-derived neurons and astrocytes, and a panel of CNS- related cell lines. IgM binding to a primitive neuro-ectodermal tumour cell line discriminated 10% of MS donors from controls. Transcriptomes of single IgM producing CSF B cells from patients with cell-binding IgM were sequenced and used to produce recombinant monoclonal antibodies for characterisation and antigen identification. We produced 5 cell-binding recombinant IgM antibodies, of which one, cloned from an HLA-DR+ plasma-like B cell, mediated antigen-dependent complement activation. Immunoprecipitation and mass spectrometry, and biochemical and transcriptome analysis of the target cells identified the iron transport scavenger protein SCARA5 as the antigen target of this antibody. Intrathecal injection of a SCARA5 antibody led to an increased T cell infiltration in an EAE model. CSF IgM might contribute to CNS inflammation in MS by binding to cell surface antigens like SCARA5 and activating complement, or by facilitating immune cell migration into the brain.

Background : Empirical gonorrhoea treatment at initial diagnosis reduces onward transmission. However, increasing resistance to multiple antibiotics may necessitate waiting for culture-based diagnostics to select an effective treatment. There is a need for same-day culture-free diagnostics that identify infection and detect antimicrobial resistance. Methods: We investigated if Nanopore sequencing can detect sufficient N. gonorrhoeae DNA to reconstruct whole genomes directly from urine samples. We used N. gonorrhoeae spiked urine samples and samples from gonorrhoea infections to determine optimal DNA extraction methods that maximize the amount of N. gonorrhoeae DNA sequenced whilst minimizing contaminating host DNA. Results: In simulated infections the Qiagen UCP Pathogen Mini kit provided the highest ratio N. gonorrhoeae to human DNA and the most consistent results. Depletion of human DNA with saponin increased N. gonorrhoeae yields in simulated infections, but decreased yields in clinical samples. In ten urine samples from men with symptomatic urethral gonorrhoea, ≥87% coverage of an N. gonorrhoeae reference genome was achieved in all samples, with ≥92% coverage breath at ≥10-fold depth in 7 (70%) samples. In simulated infections if ≥104 CFU/ml of N. gonorrhoeae was present, sequencing of the large majority of the genome was frequently achieved. N. gonorrhoeae could also be detected from urine in cobas PCR Media tubes and from urethral swabs, and in the presence of simulated Chlamydia co-infection. Conclusion: Using Nanopore sequencing of urine samples from men with urethral gonorrhoea sufficient data can be obtained to reconstruct whole genomes in the majority of samples without the need for culture.

Recent developments in CRISPR/Cas9 genome editing tools have facilitated the introduction of more complex alleles, often spanning genetic intervals of several kilobases, directly into the embryo. These techniques often produce mosaic founder animals and the introduction of donor templates, via homologous directed repair, can be erroneous or incomplete. Newly generated alleles must be verified at the sequence level across the targeted locus. Screening for the presence of the desired mutant allele using traditional sequencing methods can be challenging due to the size of the desired edit(s) together with founder mosaicism. In order to help disentangle the genetic complexity of these animals, we tested the application of Oxford Nanopore long read sequencing of the targeted locus. Taking advantage of sequencing the entire length of the segment in each single read, we were able to determine whether the entire intended mutant sequence was present in both mosaic founders and their offspring.