Abstract Acinetobacter are generally soil-dwelling organisms that can also cause serious human infections. A. baumannii is one of the most common causative agents of Acinetobacter infections and is extensively drug resistant. However, an additional 25 species within the genus have also been associated with infection. A. baumannii encodes 6 RND efflux pumps, the most clinically relevant class of efflux pumps for antibiotic export, however the distribution and types of RND efflux pumps across the genus is currently unknown. Sixty-three species making up the Acinetobacter genus were searched for RND systems within their genomes. We also developed a novel method using conserved RND residues to predict the total number of RND proteins including currently undescribed RND pump proteins. The total number of RND proteins differed both within a species and across the genus. Species associated with infection tended to encode more pumps. AdeIJK/AdeXYZ was found in all searched species of Acinetobacter , and through genomic, structural and phenotypic work we show that these genes are actually orthologues of the same system. This interpretation is further supported by structural analysis of the potential drug-binding determinants of the associated RND-transporters, which reveal their close similarity to each other, and distinctiveness from other RND-pumps in Acinetobacter , such as AdeB. Therefore, we conclude that AdeIJK is the fundamental RND system for species in the Acinetobacter genus. AdeIJK can export a broad range of antibiotics and provides crucial functions within the cell, for example lipid modulation of the cell membrane, therefore it is likely that all Acinetobacter require AdeIJK for survival and homeostasis. In contrast, additional RND systems, such as AdeABC and AdeFGH were only found in a subset of Acinetobacter , that are associated with infection. By understanding the roles and mechanisms of RND efflux systems in Acinetobacter , treatments for infections can avoid efflux-mediated resistance and improve patient outcomes. Impact statement Efflux pumps extrude antibiotics from within bacterial cells directly conferring antibiotic resistance and underpinning other mechanisms of resistance. By understanding the exact complement of efflux pumps and their roles across infection-causing organisms such as those within the Acinetobacter genus, it is possible to understand how cells become resistant to antibiotics and how this might be tackled. Efflux is an attractive target for inhibition to increase susceptibility to existing drugs and therefore, knowing which pumps are present in each species is important. Furthermore, we present a novel method using conserved RND residues to predict the total number of RND proteins including currently novel systems, within bacterial genomes. Data Summary This study made use of publicly available datasets downloaded from NCBI’s GenBank. A full list of accession numbers can be found in supplementary text 3. Bioinformatics software used in this study was previously published and listed in the methods section. The BLASTp conserved residue files are in S1 text 1 and 2. The authors confirm all supporting data, code and protocols have been provided within the article or through supplementary data files.

Abstract Tripartite resistance-nodulation-division (RND) efflux pumps confer multidrug resistance (MDR) in Gram-negative bacteria and are critical for many physiological functions including virulence and biofilm formation. The common laboratory strain of E. coli, K-12 MG1655 has six recognised RND transporters participating in tripartite pump formation (AcrB, AcrD, AcrF, CusA, MdtBC, and MdtF). However, by studying >20,000 E. coli genomes we show that E. coli belonging to phylogroups B2, D, E, F and G, which are commonly associated with infection, possess an additional, seventh RND transporter, EefB. It is found in a five gene operon, eefRABCD, which also encodes a TetR family transcription factor, a periplasmic adapter protein, an outer membrane factor and major facilitator superfamily pump. In contrast, E. coli from phylogroups A, B1 and C, generally containing environmental and commensal strains, do not encode the operon and instead encode an uncharacterised ORF, ycjD . In phylogroups where the eefRABCD operon is present it was very highly conserved. In fact, conservation levels were comparable to that of the major E. coli RND efflux system AcrAB-TolC, suggesting a critical biological function. Protein modelling shows that this pump is highly divergent from endogenous E. coli RND systems with unique structural features, while showing similarities to efflux systems found in Pseudomonas aeruginosa . However, unlike other major RND efflux systems, EefABC does not appear to transport antimicrobials and instead may be important for infection or survival in the host environment. Importance Efflux pumps are molecular machines that export molecules out of bacterial cells. The efflux pumps belonging to the RND family are particularly important as they export antibiotics out of Gram-negative bacterial cells, contributing to antibiotic resistance. The important human pathogen, E. coli , has been previously reported to have six RND pumps. However, we show that phylogroups of E. coli commonly associated with infection encode a seventh RND pump, EefABC which is highly conserved, suggesting an important biological function. While the function of EefABC in E. coli remains to be resolved, it does not seem to transport antimicrobial compounds. These findings are important because they reveal a new RND pump, potentially involved in virulence and survival in the host, that could represent a new therapeutic target. Additionally, it again shows that laboratory type strains of common bacterial pathogens are not representative of those that are infection causing.

Abstract Multidrug resistance (MDR) plasmids drive the spread of antibiotic resistance between bacterial lineages. The immediate impact of MDR plasmid acquisition on fitness and cellular processes varies among bacterial lineages, but how the evolutionary processes enabling the genomic integration of MDR plasmids vary is less well understood, particularly in clinical pathogens. Using diverse Escherichia coli lineages experimentally evolved for ∼700 generations, we show that the evolutionary response to gaining the MDR plasmid pLL35 was dominated by chromosomal mutations affecting metabolic and regulatory functions, with both strain-specific and shared mutational targets. The expression of several of these functions, such as anaerobic metabolism, is known to be altered upon acquisition of pLL35. Interactions with resident mobile genetic elements, notably several IS-elements, potentiated parallel mutations, including insertions upstream of hns that were associated with its upregulation and the downregulation of the plasmid-encoded extended-spectrum beta-lactamase gene. Plasmid parallel mutations targeted conjugation-related genes, whose expression was also commonly downregulated in evolved clones. Beyond their role in horizontal gene transfer, plasmids can be an important selective force shaping the evolution of bacterial chromosomes and core cellular functions.

Abstract Increased colonisation by antimicrobial resistant organisms is closely associated with international travel. This study investigated the diversity of mobile genetic elements involved with antimicrobial resistance (AMR) gene carriage in extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) -producing Escherichia coli that colonised travellers to Laos. Long-read sequencing was used to reconstruct complete plasmid sequences from 49 isolates obtained from the daily stool samples of 23 travellers over a three-week period. This method revealed a collection of 105 distinct plasmids, 38.1% of which carried AMR genes. The plasmids in this population were diverse, mostly unreported and included 38 replicon types, with F-type plasmids (n=22) the most prevalent amongst those carrying AMR genes. Fine-scale analysis of all plasmids identified numerous AMR gene contexts and emphasised the importance of IS elements, specifically members of the IS 6 /IS 26 family, in the creation of complex multi-drug resistance regions. We found a concerning convergence of ESBL and colistin resistance determinants, with three plasmids from two different F-type lineages carrying bla CTX-M and mcr genes. The extensive diversity seen here highlights the worrying probability that stable new vehicles for AMR will evolve in E. coli populations that can disseminate internationally through travel networks. Impact Statement The global spread of AMR is closely associated with international travel. AMR is a severe global concern and has compromised treatment options for many bacterial pathogens, among them pathogens carrying ESBL and colistin resistance genes. Colonising MDR organisms have the potential to cause serious consequences. Infections caused by MDR bacteria are associated with longer hospitalisation, poorer patient outcomes, greater mortality, and higher costs compared to infections with susceptible bacteria. This study elucidates the numerous different types of plasmids carrying AMR genes in colonising ESBL-producing E. coli isolates found in faecal samples from in travellers to Vientiane, Laos. Here we add to known databases of AMR plasmids by adding these MDR plasmids found in Southeast Asia, an area of high AMR prevalence. We characterised novel AMR plasmids including complex ESBL ( bla CTX-M ) and colistin ( mcr ) resistance co-carriage plasmids, emphasising the potential exposure of travellers to Laos to a wide variety of mobile genetic elements that may facilitate global AMR spread. This in-depth study has revealed further detail of the numerous factors that may influence AMR transfer, therefore potential routes of AMR spread internationally, and is a step towards finding methods to combat AMR spread. Data Summary Long-read sequencing data is available through National Center for Biotechnology Information under the BioProject PRJNA853172. Complete plasmid sequences have been uploaded to GenBank with accession numbers in supplementary S1. The authors confirm all supporting data, code and protocols have been provided within the article or through supplementary data files.

Abstract Multi-drug resistant (MDR) Escherichia coli are a major global threat to human health, wherein multi-drug resistance is primarily spread by MDR plasmid acquisition. MDR plasmids are not widely distributed across the entire E. coli species, but instead are concentrated in a small number of clones. Here, we test if diverse E. coli strains vary in their ability to acquire and maintain MDR plasmids, and if this relates to their transcriptional response following plasmid acquisition. We used strains from across the diversity of E. coli, including the common MDR lineage ST131, and the IncF plasmid, pLL35, encoding multiple antibiotic resistance genes. Strains varied in their ability to acquire pLL35 by conjugation, but all were able to stably maintain the plasmid. The effects of pLL35 acquisition on cefotaxime resistance and growth also varied among strains, with growth responses ranging from a small decrease to a small increase in growth of the plasmid-carrier relative to the parental strain. Transcriptional responses to pLL35 acquisition were limited in scale and highly strain specific. We observed significant transcriptional responses at the operon or regulon level, possibly due to stress responses or interactions with resident MGEs. Subtle transcriptional responses consistent across all strains were observed affecting functions, such as anaerobic metabolism, previously shown to be under negative frequency dependent selection in MDR E. coli. Overall, there was no correlation between the magnitude of the transcriptional and growth responses across strains. Together these data suggest that fitness costs arising from transcriptional disruption are unlikely to act as a barrier to dissemination of this MDR plasmid in E. coli. Importance Plasmids play a key role in bacterial evolution by transferring niche adaptive functions between lineages, including driving the spread of antibiotic resistance genes. Fitness costs of plasmid acquisition arising from the disruption of cellular processes could limit the spread of multidrug resistance plasmids. However, the impacts of plasmid acquisition are typically measured in lab-adapted strains rather than in more ecologically relevant natural isolates. Using a clinical multidrug resistance plasmid and a diverse collection of E. coli strains isolated from clinical infections and natural environments, we show that plasmid acquisition had only limited and highly strain-specific effects on bacterial growth and transcription. These findings suggest that fitness costs arising from transcriptional disruption are unlikely to act as a barrier to transmission of this plasmid in natural populations of E. coli.

Abstract The repeated emergence of multi-drug resistant (MDR) Escherichia coli clones is a threat to public health globally. In recent work, drug resistant E. coli were shown to be capable of displacing commensal E. coli in the human gut. Given the rapid colonisation observed in travel studies, it is possible that the presence of a type VI secretion system (T6SS) may be responsible for the rapid competitive advantage of drug resistant E. coli clones. We employed large scale genomic approaches to investigate this hypothesis. First, we searched for T6SS genes across a curated dataset of over 20,000 genomes representing the full phylogenetic diversity of E. coli . This revealed large, non-phylogenetic variation in the presence of T6SS genes. No association was found between T6SS gene carriage and MDR lineages. However, multiple clades containing MDR clones have lost essential structural T6SS genes. We characterised the T6SS loci of ST410 and ST131 and identified specific recombination and insertion events responsible for the parallel loss of essential T6SS genes in two MDR clones. Data Summary The genome sequence data generated in this study is publicly available from NCBI under BioProject PRJNA943186, alongside a complete assembly in GenBank under accessions CP120633 - CP120634 . All other sequence data used in this paper has been taken from ENA with the appropriate accession numbers listed within the methods section. The E. coli genome data sets used in this work are from a previous publication, the details of which can be found in the corresponding supplementary data files 10.6084/m9.figshare.21360108 [1]. Impact Statement Escherichia coli is a globally significant pathogen that causes the majority of urinary tract infections. Treatment of these infections is exacerbated by increasing levels of drug resistance. Pandemic multi-drug resistant (MDR) clones, such as ST131-C2/H30Rx, contribute significantly to global disease burden. MDR E. coli clones are able to colonise the human gut and displace the resident commensal E. coli . It is important to understand how this process occurs to better understand why these pathogens are so successful. Type VI secretion systems may be one of the antagonistic systems employed by E. coli in this process. Our findings provide the first detailed characterisation of the T6SS loci in ST410 and ST131 and shed light on events in the evolutionary pathways of the prominent MDR pathogens ST410-B4/H42RxC and ST131-C2/H30Rx.

Background Antimicrobial resistance (AMR) is highly prevalent in low- and middle-income countries (LMIC). International travel contributes substantially to the global spread of intestinal multidrug-resistant gram-negative (MDR-GN) bacteria. Of the 100 million annual visitors to LMIC, 30–70% become colonized by MDR-GN bacteria. The phenomenon has been well documented, but since sampling has only been conducted after travelers’ return home, data on the actual colonization process are scarce. We aimed to characterize colonization dynamics by exploring stool samples abroad on a daily basis while visiting LMIC.Methods A group of 20 European volunteers visiting Lao People’s Democratic Republic for three weeks provided daily stool samples and filled in daily questionnaires. Acquisition of extended-spectrum beta-lactamase-producing gram-negative bacteria (ESBL-GN) was examined by selective stool cultures followed by whole-genome sequencing (WGS) of isolates.Results While colonization rates were 70% at the end of the study, daily sampling revealed that all participants had acquired ESBL-GN at some time point during their overseas stay, the colonization status varying day by day. WGS analysis ascribed the transient pattern of colonization to sequential acquisition of new strains, resulting in a loss of detectable colonization by the initial MDR-GN strains. All but one participant acquired multiple strains (n=2–7). Of the total of 83 unique strains identified (53 E. coli , 10 Klebsiella , 20 other ESBL-GN species), some were shared by as many as four subjects.Conclusions This is the first study to characterize in real time the dynamics of acquiring MDR-GN during travel. Our data show multiple transient colonization events indicative of constant microbial competition.* AMR : Antimicrobial resistance DEC : diarrheagenic Escherichia coli ESBL : extended-spectrum beta-lactamase ESBL-Ec : extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing E. coli ESBL-GN : extended-spectrum beta-lactamase-producing gram-negative bacteria ESBL-PE : extended-spectrum beta-lactamase-producing Enterobacteriaceae IQR : inter quartile range Laos : Lao People’s Democratic Republic People’s Democratic Republic LMIC : low- and middle-income countries mcr : mobile colistin resistance genes MDR : multidrug-resistant MDR-GN : multidrug-resistant gram-negative bacteria TD : travelers’ diarrhea WGS : whole-genome sequencing

Abstract Objectives To investigate an outbreak of Enterococcus faecium in a hospital haematology ward and uncover the mechanism of a vancomycin resistance phenotype-genotype disparity in an isolate from this outbreak. Methods Whole genome shotgun sequencing was used for the phylogenetic analysis of E. faecium isolates (n = 39) and to identify the carriage of antibiotic resistance genes. A long-read sequencing approach was adopted to identify structural variations in the vancomycin resistance region of a vancomycin-variable E. faecium (VVE) and to uncover the resistance reversion mechanism in this isolate. RT-qPCR and RT-PCR were used to determine differences in the expression of vanRS and vanHAX among strains. Results The E. faecium strains isolated in the hospital haematology ward were extensively drug resistant and highly diverse. The notable expansion of ST262 among patients was the likely driver of a VRE outbreak. A VVE isolate was identified that could rapidly revert to a vancomycin-resistant state in the presence of vancomycin. Disruption of the vanR gene in this isolate by an IS 6 -family element impaired its response to vancomycin. However, when the isolate was evolved to vancomycin resistance, it could constitutively express the vanHAX genes at levels up to 36,000-fold greater than the parent isolate via co-transcription with a ribosomal RNA operon. Conclusion In this study, we report a VVE isolate that was isolated during a VRE outbreak. This strain was capable of rapidly reverting to a resistant phenotype through a novel mechanism involving integration of vanHAX downstream of a ribosomal RNA operon. During VRE outbreaks, attention should be paid to contemporaneous vancomycin-susceptible strains as these may carry silent vancomycin resistance genes that can be activated through genomic rearrangements upon exposure to vancomycin.