Abstract Lipid droplet (LD) is a monolayer phospholipid membrane-bound organelle found in all eukaryotes and several prokaryotes which plays key roles in cellular lipid homeostasis and human health. The origin and evolution of the organelle remains unknown. Here, we report that through screening over 660 bacteria using biophysical and biochemical methods, plus LD isolation and proteomic tool, LDs were identified in most of these microbes, affiliated with five main bacterial phyla. Moreover, LDs were also identified in E. coli overexpressing lipid synthesis enzymes, indicating that bacteria without detectable LDs possessed the ability of LD biogenesis. The similarity of isolated LDs from representative strains and evolutionary analysis of LD major protein PspA demonstrate that LDs were conserved in bacteria. Furthermore, time-lapse imaging revealed that LDs were inheritable accompanying with bacterial growth and division. Finally, a common ancestor of LD-containing bacteria was predicted to originate 3.19 billion years ago by a phylogenetic analysis. Our findings suggest that LD is a widespread and inheritable organelle from an ancient common ancestor.

ABSTRACT The increasing abundance of extended spectrum β-lactamase (ESBL) genes in E. coli , and other commensal and pathogenic bacteria, endangers the utility of third or more recent generation cephalosporins, which are major tools for fighting deadly infections. The role of domestic animals in the transmission of ESBL carrying bacteria has been recognized, especially in low- and middle-income countries, however the horizontal gene transfer of these genes is difficult to assess. Here we investigate bla CTX-M gene diversity (and flanking nucleotide sequences) in E. coli from chicken and humans, in an Ecuadorian rural community and from chickens in another location in Ecuador. The bla CTX-M associated sequences in isolates from humans and chickens in the same remote community showed greater similarity from those found in E. coli in a chicken industrial operation 200 km away. Our study may provide evidence of bla CTX-M transfer between chickens and humans in the community.

Abstract Toxoplasma gondii ( T. gondii ) is an opportunistic parasite that can infect the central nervous system (CNS), causing severe toxoplasmosis and behavioral cognitive impairment. Mortality is high in immunocompromised individuals with toxoplasmosis, most commonly due to reactivation of infection in the CNS. There are still no effective vaccines and drugs for the prevention and treatment of toxoplasmosis. There are five developmental stages for T. gondii to complete life cycle, of which the tachyzoite and bradyzoite stages are the key to the acute and chronic infection. In this study, to better understanding of how T. gondii interacts with the host CNS at different stages of infection, we constructed acute and chronic infection models of T. gondii in astrocytes, and used label-free proteomics to detect the proteome changes before and after infection, respectively. A total of 4676 proteins were identified, among which 163 differentially expressed proteins (DEPs) (fold change≥1.5 or ≤0.67 and p -value≤0.05) including 109 up-regulated proteins and 54 down-regulated proteins in C8-TA vs C8 group, and 719 DEPs including 495 up-regulated proteins and 224 down-regulated proteins in C8-BR vs C8-TA group. After T. gondii tachyzoites infected astrocytes, DEPs were enriched in immune-related biological processes to promote the formation of bradyzoites and maintain the balance of T. gondii , CNS and brain. After T. gondii bradyzoites infected astrocytes, the DEPs up-regulated the host’s glucose metabolism, and some up-regulated DEPs were closely related to neurodegenerative diseases. These findings not only provide new insights into the psychiatric pathogenesis of T. gondii , but also provide potential targets for the treatment of acute and chronic Toxoplasmosis.

Abstract Clinical use of antimicrobials faces great challenges from the emergence of multidrug resistant (MDR) pathogens. The overexpression of drug efflux pumps is one of the major contributors to MDR. It is considered as a promising approach to overcome MDR by reversing the function of drug efflux pumps. In the life-threatening fungal pathogen Candida albicans , the major facilitator superfamily (MFS) transporter Mdr1p can excrete many structurally unrelated antifungals, leading to multidrug resistance. Here we report a counterintuitive case of reversing multidrug resistance in C. albicans by using a natural product berberine to hijack the overexpressed Mdr1p for its own importation. Moreover, we illustrate that the imported berberine accumulates in mitochondria, and compromises the mitochondrial function by impairing mitochondrial membrane potential and mitochondrial Complex I. It results in the selective elimination of Mdr1p overexpressed C. albicans cells. Furthermore, we show that berberine treatment can prolong the mean survival time (MST) of mice with a blood-borne dissemination of Mdr1p overexpressed multidrug resistant candidiasis. This study provided a potential direction of novel anti-MDR drug discovery by screening for multidrug efflux pump converters.

Abstract Enteric pathogens cause widespread foodborne illness and are increasingly found to harbor antimicrobial resistance. The ecological impact of these pathogens on the human gut microbiome and resistome, however, has yet to be fully elucidated. This study applied shotgun metagenome sequencing to stools from 60 patients (cases) with enteric bacterial infections for comparison to stools collected from the same patients’ post-recovery (follow-ups). Overall, the case samples harbored more antimicrobial resistance genes (ARGs) and had greater resistome diversity than the follow-up samples (p<0.001), while follow-ups had much more diverse microbiomes (p<0.001). Although cases were primarily defined by genera Escherichia, Salmonella , and Shigella along with ARGs for multi-compound and multidrug resistance, follow-ups had a greater abundance of Bacteroidetes and Firmicutes phyla and genes for tetracycline, macrolides, lincosamides, and streptogramins (MLS), and aminoglycoside resistance. A host-tracking analysis revealed that Escherichia was the primary carrier of ARGs in both cases and follow-ups, with a greater abundance occurring during infection. Eleven distinct extended spectrum beta-lactamases (ESBLs) were identified during infection, some of which appear to be lost or transferred to different microbial hosts upon recovery. The increasing incidence of disease caused by foodborne pathogens, coupled with their evolving role in harboring and transferring antimicrobial resistance determinants within communities, justifies further examination of the repercussions of enteric infection on human gut ecology.

ABSTRACT Intramammary (IMM) ceftiofur treatment is commonly used in dairy farms to prevent mastitis, though its impact on the cattle gut microbiome and selection of antibiotic-resistant bacteria has not been elucidated. Herein, we enrolled 40 healthy dairy cows after lactation: 20 were treated with IMM ceftiofur (Spectramast®DC) and a non-antibiotic internal teat sealant (bismuth subnitrate) and 20 (controls) received only bismuth subnitrate. Fecal samples were collected before (day −1) and after treatment (weeks 1, 2, 3, 5, 7, and 9) for bacterial quantification and metagenomic next-generation sequencing. Overall, 90% and 24% of the 278 samples had Gram-negative bacteria with resistance to ampicillin and ceftiofur, respectively. Most of the cows treated with ceftiofur did not have an increase in the number of resistant bacteria; however, a subset (25%) shed higher levels of ceftiofur-resistant bacteria for up to 2 weeks post-treatment. At week 5, the antibiotic-treated cows had lower microbiome abundance and richness, whereas a greater abundance of genes encoding extended-spectrum β-lactamases (ESBLs), CfxA, ACI-1, and CMY, was observed at weeks 1, 5 and 9. Moreover, the contig and network analyses detected associations between β-lactam resistance genes and phages, mobile genetic elements, and specific genera. Commensal bacterial populations belonging to Bacteroidetes most often possessed ESBL genes followed by members of Enterobacteriaceae. This study highlights variable, persistent effects of IMM ceftiofur treatment on the gut microbiome and resistome in dairy cattle. Antibiotic-treated cattle had an increased abundance of specific taxa and genes encoding ESBL production that persisted for 9 weeks, while fecal shedding of ESBL-producing Enterobacteriaceae varied across animals. Together, these findings highlight the need for additional studies that identify factors linked to shedding levels and the dissemination and persistence of resistance determinants on dairy farms in different geographic locations.

The use of antimicrobials in the animal industry has increased the prevalence of antimicrobial resistant commensal bacteria in food products derived from animals, which could be associated with antimicrobial resistance in human pathogens. To reduce the influx of antibiotic-resistant bacteria (and genes) to the human microbiota, restrictions on antimicrobials (in food animals) have been implemented in different countries. We investigated the impact of antimicrobial restriction on the frequency of antimicrobial resistant bacteria and genes in pigs. We analyzed the antibiotic susceptibility and resistome of coliforms isolated from animals which were subjected to diets with and without antibiotics during 2 generations. No differences in antimicrobial resistance or antimicrobial resistance genes (richness or abundance) were found when we compared animals fed with and without antibiotics. Fitness costs of antimicrobial resistance in bacteria (in the field) seems to be overestimated.

Directly cloning of biosynthetic gene clusters (BGCs) from microbial genomes has been revolutionizing the natural product-based drug discovery. However, it is still very challenging to efficiently clone, for example, large (> 80kb) and GC-rich (> 70%), streptomycete originating BGCs. In this study, we developed a simple, fast yet efficient and low-cost in vitro platform for direct cloning large BGCs from streptomycete genomic DNA, named as CAT-FISHING (CRISPR/Cas12a- and Agarose plug-based sysTem for Fast bIoSyntHetIc geNe cluster cloninG), by combining the advantages of CRISPR/Cas12a cleavage and bacterial artificial chromosome (BAC) library construction. CAT-FISHING was demonstrated by directly cloning large DNA fragments ranging from 47 to 139 kb with GC content of > 70% from the S. albus J1074 genome in a relatively efficient manner. Moreover, surugamides, encoded by a captured 87-kb BGC with GC content of 76%, was heterologously expressed in a Streptomyces chassis. These results indicate that CAT-FISHING is a powerful platform for BGCs batch cloning, which would be greatly beneficial to the natural products-based drug discovery. We believe that this system will lead a renaissance of interest in microorganisms as a source for drug development.