Abstract Mucins are important glycoproteins that form a protective layer throughout the gastrointestinal and respiratory tracts. There is scientific evidence of increase in phage-resistance in the presence of mucin for some bacterial pathogens. Manipulation in mucin composition may ultimately influence the effectiveness of phage therapy. In this work, two clinical strains of K. pneumoniae (K3574 and K3325), were exposed to the lytic bacteriophage vB_KpnS-VAC35 in the presence and absence of mucin on a long-term co-evolution assay, in an attempt to mimic in vitro the exposure to mucins that bacteria and their phages face in vivo . Enumerations of the bacterial and phage counts at regular time intervals were conducted, and extraction of the genomic DNA of co- evolved bacteria to the phage, the mucin and both was performed. We determined the frequency of phage-resistant mutants in the presence and absence of mucin and including a mucolytic agent (N-acetyl L-cysteine, NAC), and sequenced these conditions using Nanopore. We phenotypically demonstrated that the presence of mucin induces the emergence of bacterial resistance against lytic phages, effectively decreased in the presence of NAC. In addition, the genomic analysis revealed some of the genes relevant to the development of phage resistance in long-term co- evolution, with a special focus on the mucoid environment. Genes involved in the metabolism of carbohydrates were mutated in the presence of mucin. In conclusion, the use of mucolytic agents prior to the administration of lytic phages could be an interesting therapeutic option when addressing K. pneumoniae infections in environments where mucin is overproduced.

Multidrug resistant (MDR) bacteria and the shortage of new antibiotics are a serious health problem and have increased the interest in bacteriophages, with great potential as antimicrobial agents but they can induce resistance. The objective of the present study was to reduce the development of phage resistance in K. pneumoniae strains by inhibiting the Quorum Sensing (QS). The QS inhibition by cinnamaldehyde (CAD) was confirmed indirectly by the reduction of biofilm production and directly by a proteomic analysis. Also, the infection assays showed that the phage resistance mechanisms of the bacteria were inhibited when phage-resistant K. pneumoniae strains were treated with a combination of phages with CAD. Finally, these results were confirmed by proteomic analysis as proteins related to the phage defence such as CBASS (bacterial cyclic oligonucleotide-based anti-phage signalling) and R-M systems as well as tail fiber proteins were present under phage treatment but not with the combination.

Pseudomonas aeruginosa is a bacterial pathogen that is a major cause of lung infections in cystic fibrosis (CF) and other patients. Isolates of P. aeruginosa from CF patients commonly carry filamentous phages (Pf phages), a type of temperate phage known to be related to biofilm production and antibiotic sequestration. In this study, 12 new Pf-like phages were identified in a collection of clinical isolates of P. aeruginosa from CF patients. Analysis of the phage genomes revealed different anti-phage defence systems, described here for first time in these types of phages. Finally, relationships between resistance to phage infection and the presence of Pf-like phages and also between each defence system and resistance were observed.

ABSTRACT Lytic phages are currently considered among the best options for treating infections caused by multi-drug resistant pathogens. Phages have some advantages over conventional antibiotics. For example, phages acquire modifications in accordance with their environment, and thus with the bacteria present, which has led to the co-evolution of both types of organism. Therefore, both phages and bacteria have acquired resistance mechanisms for protection. In this context, the aims of the present study were to analyze the proteins isolated from twenty-one novel lytic phages of Klebsiella pneumoniae in search of defence mechanisms against bacteria and also to determine the infective capacity of the phages. A proteomic study was also conducted to investigate the defence mechanisms of two clinical isolates of Klebsiella pneumoniae infected by phages. For this purpose, the twenty-one lytic phages were sequenced and de novo assembled using the Illumina-Miseq system and Spades V.3.15.2 respectively. Gene annotation was performed with Patric, Blast, Hhmer and Hhpred tools. The evolutionary relationships between phages were determined by RaxML. The host-range was determined in a collection of forty-seven clinical isolates of K. pneumoniae , revealing the variable infectivity capacity of the phages. Genome sequencing showed that all of the phages were lytic phages belonging to the family Caudovirales . The size and GC content of the phages ranged from 39,371 to 178,532 bp and from 41.72 % to 53.76 %, respectively. Phage sequence analysis revealed that the proteins were organized in functional modules within the genome. Although most of the proteins have unknown functions, multiple proteins were associated with defence mechanisms against bacteria, including the restriction-modification (RM) system, the toxin-antitoxin (TA) system, evasion of DNA degradation, blocking of host RM, the orphan CRISPR-Cas system and the anti-CRISPR system. Proteomic study of the phage-host interactions (i.e. between isolates K3574 and K3320, which have intact CRISPR-Cas systems, and phages vB_KpnS-VAC35 and vB_KpnM-VAC36, respectively) revealed the presence of several defence mechanisms against phage infection (prophage, plasmid, defence/virulence/resistance and oxidative stress proteins) in the bacteria, and of the Acr candidate (anti-CRISPR protein) in the phages. IMPORTANCE Phages, viral parasites of bacteria, have long protected the Earth’s biosphere against bacterial overgrowth and could now help in the fight against antimicrobial resistance. However, researchers, including microbiologists and infectious disease specialists, require more knowledge about the interactions between phages and their bacterial hosts and about the defence mechanisms in both viruses and bacteria. In this study, we analyzed the molecular mechanisms of viral and bacterial defence in phages infecting clinical isolates of Klebsiella pneumoniae . Viral defence mechanisms included RM system evasion, the Toxin-Antitoxin system, DNA degradation evasion, blocking of host RM and resistance to the abortive infection system (Abi), anti-CRISPR and CRISPR-Cas systems. Regarding bacterial defence mechanisms, proteomic analysis revealed overexpression of proteins involved in the prophage (FtsH protease modulator), plasmid (cupin phosphomannose isomerase protein), defence/virulence/resistance (porins, efflux pumps, LPS, pili elements, quorum network proteins, TA systems and methyltransferases), oxidative stress mechanisms and Acr candidates (anti-CRISPR protein). The findings reveal some important molecular mechanisms involved in the phage-host bacterial interactions; however, further study in this field is required to improve the efficacy of phage therapy.

Abstract Background novel approaches to treat Klebsiella pneumoniae infections are desperately needed, such as the use of rationally designed combination therapies. Objectives to evaluate the in vitro and in vivo therapeutic potential of lytic phages against K. pneumoniae in combination with octapeptin, a promising class of lipopeptides with broad spectrum Gram-negative activity. Methods we determined the MICs to twenty-two lipopeptide compounds and chose one octapeptin (OPX10053) for evaluation of potential synergism in combination with lytic phages using checkerboard assays, optical density growth curves and time-kill (CFU enumeration). Toxicity and efficacy in vivo assays were conducted on Galleria mellonella larvae. Results this study reports the synergy found in vitro between the octapeptin OPX10053 and two lytic phages previously characterized by our research group (vB_KpnM-VAC13 and vB_KpnM-VAC66) against clinical isolates of K. pneumoniae . This synergy was validated by the FIC index, OD growth curves and time-kill assay when OPX10053 was added following 4 hours of phage exposure. Preliminary evaluation of toxicity revealed that OPX10053, even at subinhibitory concentrations and in phage combinations, exerts a toxic effect on larvae, which requires further investigation. Conclusions The in vitro application of lytic phages in combination with octapeptin OPX10053 showed synergistic activity. Exposure of G. mellonella to the lytic phages was well tolerated, whereas combination treatment with subinhibitory concentrations of OPX10053 did not attenuate toxicity. Even so, this innovative approach of combining lytic phages could open the door to some interesting associations between chemically synthesized drugs and biological entities. Sequential or simultaneous application alongside time, dosing and stewardship warrants further research.