The rise of antibiotic-resistant bacteria has led to an urgent need for rapid detection of drug resistance in clinical samples, and improvements in global surveillance. Here we show how de Bruijn graph representation of bacterial diversity can be used to identify species and resistance profiles of clinical isolates. We implement this method for Staphylococcus aureus and Mycobacterium tuberculosis in a software package ('Mykrobe predictor') that takes raw sequence data as input, and generates a clinician-friendly report within 3 minutes on a laptop. For S. aureus, the error rates of our method are comparable to gold-standard phenotypic methods, with sensitivity/specificity of 99.1%/99.6% across 12 antibiotics (using an independent validation set, n=470). For M. tuberculosis, our method predicts resistance with sensitivity/specificity of 82.6%/98.5% (independent validation set, n=1,609); sensitivity is lower here, probably because of limited understanding of the underlying genetic mechanisms. We give evidence that minor alleles improve detection of extremely drug-resistant strains, and demonstrate feasibility of the use of emerging single-molecule nanopore sequencing techniques for these purposes.

Nature Communications 6: Article number: 10063 (2015); Published: 21 December 2015; Updated: 20 April 2016 In Supplementary Data 3 of this Article, one of the Staphylococcus aureus accession codes is incorrect, as follows: SRR2101499 should be ERR1197981.

ABSTRACT Routine full characterization of Mycobacterium tuberculosis is culture based, taking many weeks. Whole-genome sequencing (WGS) can generate antibiotic susceptibility profiles to inform treatment, augmented with strain information for global surveillance; such data could be transformative if provided at or near the point of care. We demonstrate a low-cost method of DNA extraction directly from patient samples for M. tuberculosis WGS. We initially evaluated the method by using the Illumina MiSeq sequencer (40 smear-positive respiratory samples obtained after routine clinical testing and 27 matched liquid cultures). M. tuberculosis was identified in all 39 samples from which DNA was successfully extracted. Sufficient data for antibiotic susceptibility prediction were obtained from 24 (62%) samples; all results were concordant with reference laboratory phenotypes. Phylogenetic placement was concordant between direct and cultured samples. With Illumina MiSeq/MiniSeq, the workflow from patient sample to results can be completed in 44/16 h at a reagent cost of £96/£198 per sample. We then employed a nonspecific PCR-based library preparation method for sequencing on an Oxford Nanopore Technologies MinION sequencer. We applied this to cultured Mycobacterium bovis strain BCG DNA and to combined culture-negative sputum DNA and BCG DNA. For flow cell version R9.4, the estimated turnaround time from patient to identification of BCG, detection of pyrazinamide resistance, and phylogenetic placement was 7.5 h, with full susceptibility results 5 h later. Antibiotic susceptibility predictions were fully concordant. A critical advantage of MinION is the ability to continue sequencing until sufficient coverage is obtained, providing a potential solution to the problem of variable amounts of M. tuberculosis DNA in direct samples.

Escherichia colisequence type 131 (ST131) has emerged globally as the most predominant extraintestinal pathogenic lineage within this clinically important species, and its association with fluoroquinolone and extended-spectrum cephalosporin resistance impacts significantly on treatment. The evolutionary histories of this lineage, and of important antimicrobial resistance elements within it, remain unclearly defined. This study of the largest worldwide collection (n= 215) of sequenced ST131E. coliisolates to date demonstrates that the clonal expansion of two previously recognized antimicrobial-resistant clades, C1/H30R and C2/H30Rx, started around 25 years ago, consistent with the widespread introduction of fluoroquinolones and extended-spectrum cephalosporins in clinical medicine. These two clades appear to have emerged in the United States, with the expansion of the C2/H30Rx clade driven by the acquisition of ablaCTX-M-15-containing IncFII-like plasmid that has subsequently undergone extensive rearrangement. Several other evolutionary processes influencing the trajectory of this drug-resistant lineage are described, including sporadic acquisitions of CTX-M resistance plasmids and chromosomal integration ofblaCTX-Mwithin subclusters followed by vertical evolution. These processes are also occurring for another family of CTX-M gene variants more recently observed among ST131, theblaCTX-M-14/14-likegroup. The complexity of the evolutionary history of ST131 has important implications for antimicrobial resistance surveillance, epidemiological analysis, and control of emerging clinical lineages ofE. coli These data also highlight the global imperative to reduce specific antibiotic selection pressures and demonstrate the important and varied roles played by plasmids and other mobile genetic elements in the perpetuation of antimicrobial resistance within lineages.Escherichia coli, perennially a major bacterial pathogen, is becoming increasingly difficult to manage due to emerging resistance to all preferred antimicrobials. Resistance is concentrated within specificE. colilineages, such as sequence type 131 (ST131). Clarification of the genetic basis for clonally associated resistance is key to devising intervention strategies. We used high-resolution genomic analysis of a large global collection of ST131 isolates to define the evolutionary history of extended-spectrum beta-lactamase production in ST131. We documented diverse contributory genetic processes, including stable chromosomal integrations of resistance genes, persistence and evolution of mobile resistance elements within sublineages, and sporadic acquisition of different resistance elements. Both global distribution and regional segregation were evident. The diversity of resistance element acquisition and propagation within ST131 indicates a need for control and surveillance strategies that target both bacterial strains and mobile genetic elements.

BackgroundSlow and cumbersome laboratory diagnostics for Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) risk delayed treatment and poor patient outcomes. Whole-genome sequencing (WGS) could potentially provide a rapid and comprehensive diagnostic solution. In this prospective study, we compare real-time WGS with routine MTBC diagnostic workflows.MethodsWe compared sequencing mycobacteria from all newly positive liquid cultures with routine laboratory diagnostic workflows across eight laboratories in Europe and North America for diagnostic accuracy, processing times, and cost between Sept 6, 2013, and April 14, 2014. We sequenced specimens once using local Illumina MiSeq platforms and processed data centrally using a semi-automated bioinformatics pipeline. We identified species or complex using gene presence or absence, predicted drug susceptibilities from resistance-conferring mutations identified from reference-mapped MTBC genomes, and calculated genetic distance to previously sequenced UK MTBC isolates to detect outbreaks. WGS data processing and analysis was done by staff masked to routine reference laboratory and clinical results. We also did a microcosting analysis to assess the financial viability of WGS-based diagnostics.FindingsCompared with routine results, WGS predicted species with 93% (95% CI 90–96; 322 of 345 specimens; 356 mycobacteria specimens submitted) accuracy and drug susceptibility also with 93% (91–95; 628 of 672 specimens; 168 MTBC specimens identified) accuracy, with one sequencing attempt. WGS linked 15 (16% [95% CI 10–26]) of 91 UK patients to an outbreak. WGS diagnosed a case of multidrug-resistant tuberculosis before routine diagnosis was completed and discovered a new multidrug-resistant tuberculosis cluster. Full WGS diagnostics could be generated in a median of 9 days (IQR 6–10), a median of 21 days (IQR 14–32) faster than final reference laboratory reports were produced (median of 31 days [IQR 21–44]), at a cost of £481 per culture-positive specimen, whereas routine diagnosis costs £518, equating to a WGS-based diagnosis cost that is 7% cheaper annually than are present diagnostic workflows.InterpretationWe have shown that WGS has a scalable, rapid turnaround, and is a financially feasible method for full MTBC diagnostics. Continued improvements to mycobacterial processing, bioinformatics, and analysis will improve the accuracy, speed, and scope of WGS-based diagnosis.FundingNational Institute for Health Research, Department of Health, Wellcome Trust, British Colombia Centre for Disease Control Foundation for Population and Public Health, Department of Clinical Microbiology, Trinity College Dublin.

The recent widespread emergence of carbapenem resistance in Enterobacteriaceae is a major public health concern, as carbapenems are a therapy of last resort against this family of common bacterial pathogens. Resistance genes can mobilize via various mechanisms, including conjugation and transposition; however, the importance of this mobility in short-term evolution, such as within nosocomial outbreaks, is unknown. Using a combination of short- and long-read whole-genome sequencing of 281 blaKPC-positive Enterobacteriaceae isolates from a single hospital over 5 years, we demonstrate rapid dissemination of this carbapenem resistance gene to multiple species, strains, and plasmids. Mobility of blaKPC occurs at multiple nested genetic levels, with transmission of blaKPC strains between individuals, frequent transfer of blaKPC plasmids between strains/species, and frequent transposition of blaKPC transposon Tn4401 between plasmids. We also identify a common insertion site for Tn4401 within various Tn2-like elements, suggesting that homologous recombination between Tn2-like elements has enhanced the spread of Tn4401 between different plasmid vectors. Furthermore, while short-read sequencing has known limitations for plasmid assembly, various studies have attempted to overcome this by the use of reference-based methods. We also demonstrate that, as a consequence of the genetic mobility observed in this study, plasmid structures can be extremely dynamic, and therefore these reference-based methods, as well as traditional partial typing methods, can produce very misleading conclusions. Overall, our findings demonstrate that nonclonal resistance gene dissemination can be extremely rapid, presenting significant challenges for public health surveillance and achieving effective control of antibiotic resistance.

Abstract This paper describes an exploratory study of endotoxin emissions and dispersal from a commercial composting facility. Replicated samples of air were taken by filtration at different locations around the facility on 10 occasions. Measurements were made of endotoxin and associated culturable microorganisms. The inflammatory response of cell cultures exposed to extracts from the filters was measured. Endotoxin was detected in elevated concentrations close to composting activities. A secondary peak, of lesser magnitude than the peak at source was detected at 100-150 m downwind of the site boundary. Unexpectedly high concentrations of endotoxin were measured at the most distant downwind sampling point. Extracted endotoxin was found to stimulate human monocytes and a human lung epithelial cell line to produce significant amounts of pro-inflammatory cytokines. On a weight basis, endotoxin extracted from the composting source has a greater inflammatory cytokine inducing effect than commercial E. coli endotoxin.

Abstract Because of the lack of effective methodology, the biological effects of environmental endotoxin have not been assessed. Here we have collected and measured airborne endotoxin at different locations around composting sites. Increased endotoxin concentrations were observed close to composting activities and also at nearby boundary areas. Analysis of proinflammatory effects of the environmental endotoxin on interleukin (IL)‐8 and IL‐6 release from human D562 pharyngeal epithelial and MM6 monocytic cell cultures showed an association between endotoxin level and cytokine induction. The cytokine‐inducing effect of bioaerosol extracts was inhibited by polymyxin B, indicating that endotoxin was the cause of cytokine responses we found. The environmental endotoxin was also more active for stimulating cytokines in airway epithelial cells than commercially purified Escherichia coli endotoxin. Our results suggest that these in vitro inflammatory cell models may contribute to the assessment of health impacts of environmental endotoxin. Environ. Toxicol. Chem. 2011; 30:602–606. © 2011 SETAC