Multidrug efflux pumps are chromosomally encoded genetic elements capable of mediating resistance to toxic compounds in several life forms. In bacteria, these elements are involved in intrinsic and acquired resistance to antibiotics. Unlike other well-known horizontally acquired antibiotic resistance determinants, genes encoding for multidrug efflux pumps belong to the core of bacterial genomes and thus have evolved over millions of years. The selective pressure stemming from the use of antibiotics to treat bacterial infections is relatively recent in evolutionary terms. Therefore, it is unlikely that these elements have evolved in response to antibiotics. In the last years, several studies have identified numerous functions for efflux pumps that go beyond antibiotic extrusion. In this review we present some examples of these functions that range from bacterial interactions with plant or animal hosts, to the detoxification of metabolic intermediates or the maintenance of cellular homeostasis.

Multidrug efflux pumps are key antibiotic resistance determinants. Besides contributing to intrinsic resistance, their overexpression is frequently a cause of the increased resistance acquired during therapy. In addition to their role in resistance to antimicrobials, efflux pumps are ancient and conserved elements with relevant roles in different aspects of the bacterial physiology. It is then conceivable that their overexpression might cause a burden that will be translated into a fitness cost associated with the acquisition of resistance. In the case of Pseudomonas aeruginosa, it has been stated that overexpression of different efflux pumps is linked to the impairment of the quorum sensing (QS) response. Nevertheless, the causes of such impairment are different for each analyzed efflux pump. In this study, we performed an in-depth analysis of the QS-mediated response of a P. aeruginosa antibiotic resistant mutant that overexpresses MexAB-OprM. Although previous work claimed that this efflux pump extrudes the QS signal 3-oxo-C12-HSL, we show otherwise. Our results suggest that the observed attenuation in the QS response when overexpressing this pump is related to a reduced availability of intracellular octanoate, one of the precursors of the biosynthesis of alkyl quinolone QS signals. The overexpression of other P. aeruginosa efflux pumps has been shown to also cause a reduction in intracellular levels of QS signals or their precursors impacting on these signaling mechanisms. However, the molecules involved are distinct for each efflux pump, indicating that they can differentially contribute to the P. aeruginosa quorum sensing homeostasis.

Most antibiotic resistance genes acquired by human pathogens originate from environmental microorganisms. Therefore, understanding the additional functions of these genes, other than conferring antibiotic resistance, is relevant from an ecological point of view. We examined the effect that overexpression of the MexCD-OprJ multidrug efflux pump has in the physiology of the environmental opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa. Overexpression of this intrinsic resistance determinant shuts down the P. aeruginosa quorum sensing (QS) response. Impaired QS response is due to the extrusion of 4-hydroxy-2-heptylquinoline (HHQ), the precursor of the Pseudomonas Quinolone Signal (PQS), leading to low PQS intracellular levels and reduced production of QS signal molecules. The P. aeruginosa QS response induces the expression of hundreds of genes, which can be costly unless such activation becomes beneficial for the bacterial population. While it is known that the QS response is modulated by population density, information on additional signals/cues that may alert the cells about the benefits of mounting the response is still scarce. It is possible that MexCD-OprJ plays a role in this particular aspect; our results indicate that, upon overexpression, MexCD-OprJ can act as a switcher in the QS population response. If MexCD-OprJ alleviate the cost associated to trigger the QS response when un-needed, it could be possible that MexCD-OprJ overproducer strains might be eventually selected even in the absence of antibiotic selective pressure, acting as antibiotic resistant cheaters in heterogeneous P. aeruginosa populations. This possibility may have potential implications for the treatment of P. aeruginosa chronic infections.

The use of antimicrobials in aquaculture is a common practice. Chile is second larger producer of salmon worldwide, but unfortunately is the first consumer of antibiotics. Tonnes of florfenicol and oxytetracycline yearly are used in the Chilean salmoniculture to control the pathogens that threaten the sustainability of the industry. This excessive use of antibiotics have selected populations of resistant bacteria from the sediments and the water column that sorround the fish farms. In a recent work, our lab described the high prevalence of multiresistant bacteria and Antibiotic Resistance Genes (ARGs) in the gut microbiota of Antlactic salmon (Salmo salar) treated with high doses of antibiotics. In this work, we revisited the analysis of the previously described gut multiresistant bacteria grouped in banks of florfenicol resistant isolates (FB) and oxytetracycline resistant isolates (OB) looking for the presence of integron-integrase elements. These elements have been described as an important players in the Antimicrobial Resistance (AMR) phenomenon and they are considered a good markers of the anthopogenic activities pollution. The results showed that the 100% of the multiresistant isolates present the class 1 intagrase. Despite this result, no isolate from FB showed the typical structure of class 1 integrons: the presence in 3’-CS of qacEΔ1/sul1 genes. While in OB, only 23% of the isolates showed this characteristic structure. Additionally, only four isolates of OB and none of FB showed recognisable gene cassettes and no genes of resistance to florfenicol and oxytetacycline appeared in them. Of these four isolates, three of them showed a single gene cassette containing the dfrA-14 gene, which confers resistance to trimethoprim. Whilst the other isolate showed the aac(6’)31-qacH-blaoxa2 genes, which confers resistance to aminoglycosides, quaternary ammonium compounds and beta-lactams, respectively. Finally, it was possible to demonstrate that the described integrons probably come from anthropogenic activities like clinical settings and/or industrial animal husbandry, since they show integrases proteins identical to those carried by human pathogens.

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is a priority pathogen listed by the World Health Organization. The global spread of MRSA is characterized by successive waves of epidemic clones that predominate in specific geographical regions. The acquisition of genes encoding resistance to heavy-metals is thought to be a key feature in the divergence and geographical spread of MRSA. Increasing evidence suggests that extreme natural events, such as earthquakes and tsunamis, could release heavy-metals into the environment. However, the impact of environmental exposition to heavy-metals on the divergence and spread of MRSA clones has been insufficiently explored. We assess the association between a major earthquake and tsunami in an industrialized port in southern Chile and MRSA clone divergence in Latin America. We performed a phylogenomic reconstruction of 113 MRSA clinical isolates from seven Latin American healthcare centers, including 25 isolates collected in a geographic area affected by an earthquake and tsunami that led to high levels of heavy-metal environmental contamination. We found a divergence event strongly associated with the presence of a plasmid harboring heavy-metal resistance genes in the isolates obtained in the area where the earthquake and tsunami occurred. Moreover, clinical isolates carrying this plasmid showed increased tolerance to mercury, arsenic, and cadmium. We also observed a physiological burden in the plasmid-carrying isolates in absence of heavy-metals. Our results are the first evidence that suggests that heavy-metal contamination, in the aftermath of an environmental disaster, appears to be a key evolutionary event for the spread and dissemination of MRSA in Latin America.

Introduction Ceftazidime/avibactam (CZA) is indicated against multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa , particularly those that are carbapenem resistant. CZA resistance in P. aeruginosa producing PER, a class A extended-spectrum β-lactamase, has been well documented in vitro . However, data regarding clinical isolates are scarce. Our aim was to analyze the contribution of PER to CZA resistance in non-carbapenemase-producing P. aeruginosa clinical isolates that were ceftazidime and/or carbapenem non-susceptible. Methods Antimicrobial susceptibility was determined through agar dilution and broth microdilution, while bla PER gene was screened through PCR. All PER-positive isolates and five PER-negative isolates were analyzed through Whole Genome Sequencing. The mutational resistome associated to CZA resistance was determined through sequence analysis of genes coding for PBPs 1b, 3 and 4, MexAB-OprM regulators MexZ, MexR, NalC and NalD, AmpC regulators AmpD and AmpR, and OprD porin. Loss of bla PER-3 gene was induced in a PER-positive isolate by successive passages at 43°C without antibiotics. Results Twenty-six of 287 isolates studied (9.1%) were CZA-resistant. Thirteen of 26 CZA-resistant isolates (50%) carried bla PER . One isolate carried bla PER but was CZA-susceptible. PER-producing isolates had significantly higher MICs for CZA, amikacin, gentamicin, ceftazidime, meropenem and ciprofloxacin than non-PER-producing isolates. All PER-producing isolates were ST309 and their bla PER-3 gene was associated to ISCR1, an insertion sequence known to mobilize adjacent DNA. PER-negative isolates were classified as ST41, ST235 (two isolates), ST395 and ST253. PER-negative isolates carried genes for narrow-spectrum β-lactamases and the mutational resistome showed that all isolates had one major alteration in at least one of the genes analyzed. Loss of bla PER-3 gene restored susceptibility to CZA, ceftolozane/tazobactam and other β-lactamsin the in vitro evolved isolate. Discussion PER-3-producing ST309 P. aeruginosa is a successful multidrug-resistant clone with bla PER-3 gene implicated in resistance to CZA and other β-lactams.

Background: Multidrug-resistant (MDR) Salmonella Infantis has disseminated worldwide, mainly linked to the consumption of poultry products. Evidence shows dissemination of this pathogen in Chile; however, studies are primarily limited to phenotypic data or involve few isolates. As human cases of Salmonella Infantis infections have substantially increased in recent years, a better understanding of its molecular epidemiology and antimicrobial-resistance profiles are required to inform effective surveillance and control measures. Methods: We sequenced 396 Salmonella Infantis genomes and analyzed them with all publicly available genomes of this pathogen from Chile (440 genomes in total), representing isolates from environmental, food, animal, and human sources obtained from 2009 to 2022. Based on bioinformatic and phenotypic methods, we assessed the population structure, dissemination among different niches, and AMR profiles of Salmonella Infantis in the country. Findings: The genomic and phylogenetic analyses showed that Salmonella Infantis from Chile comprised several clusters of highly related isolates dominated by sequence type 32. The HC20_343 cluster grouped an important proportion of all isolates. The latter was the only cluster associated with pESI-like megaplasmids, and up to 12 acquired AMR genes/mutations predicted to result in an MDR phenotype. Accordingly, antimicrobial-susceptibility testing revealed a strong concordance between the AMR genetic determinants and their matching phenotypic expression, indicating that a significant proportion of HC20_343 isolates produce extended-spectrum β-lactamases and have intermediate fluoroquinolone resistance. HC20_343 Salmonella Infantis were spread among environmental, animal, food, and human niches, showing a close relationship between isolates from different years and sources, and a low intra-source genomic diversity. Interpretation: Our findings show a widespread dissemination of MDR Salmonella Infantis from the HC20_343 cluster in Chile. The high proportion of isolates with resistance to first-line antibiotics and the evidence of active transmission between the environment, animals, food, and humans highlight the urgency of improved surveillance and control measures in the country. As HC20_343 isolates predominate in the Americas, our results suggest a high prevalence of ESBL-producing Salmonella Infantis with intermediate fluoroquinolone resistance in the continent. Funding: Agencia de Investigación y Desarrollo de Chile (ANID) through FONDECYT de Postdoctorado Folio 3230796 and Folio 3210317, FONDECYT Regular Folio 1231082, and ANID - Millennium Science Initiative Program - ICN2021_044.