Introductory paragraph The ability of gut bacterial pathogens to escape immunity by antigenic variation, particularly via changes to surface-exposed antigens, is a major barrier to immune clearance 1 . However, not all variants are equally fit in all environments 2, 3 . It should therefore be possible to exploit such immune escape mechanisms to direct an evolutionary trade-off. Here we demonstrated this phenomenon using Salmonella enterica subspecies enterica serovar Typhimurium ( S. Tm). A dominant surface antigen of S. Tm is its O-antigen: A long, repetitive glycan that can be rapidly varied by mutations in biosynthetic pathways or by phase-variation 4, 5 . We quantified the selective advantage of O-antigen variants in the presence and absence of O-antigen specific IgA and identified a set of evolutionary trajectories allowing immune escape without an associated fitness cost in naïve mice. Through the use of oral vaccines, we rationally induced IgA responses blocking all of these trajectories, which selected for Salmonella mutants carrying deletions of the O-antigen polymerase wzyB. Due to their short O-antigen, these evolved mutants were more susceptible to environmental stressors (detergents, complement), predation (bacteriophages), and were impaired in gut colonization and virulence in mice. Therefore, a rationally induced cocktail of intestinal antibodies can direct an evolutionary trade-off in S. Tm. This lays the foundations for the exploration of mucosal vaccines capable of setting evolutionary traps as a prophylactic strategy.

Abstract Secreted immunoglobulins, predominantly SIgA, influence the colonization and pathogenicity of mucosal bacteria. While part of this effect can be explained by SIgA-mediated bacterial aggregation, we have an incomplete picture of how SIgA binding influences cells independently of aggregation. Here we show that akin to microscale crosslinking of cells, SIgA targeting the Salmonella Typhimurium O-antigen extensively crosslinks the O-antigens on the surface of individual bacterial cells at the nanoscale. This crosslinking results in an essentially immobilized bacterial outer membrane. Membrane immobilization, combined with Bam-complex mediated outer membrane protein insertion results in biased inheritance of IgA-bound O-antigen, concentrating SIgA-bound O-antigen at the oldest poles during cell growth. By combining empirical measurements and simulations, we show that this SIgA-driven biased inheritance increases the rate at which phase-varied daughter cells become IgA-free: a process that can accelerate IgA escape via phase-variation of O-antigen structure. Our results show that O-antigen-crosslinking by SIgA impacts workings of the bacterial outer membrane, helping to mechanistically explain how SIgA may exert aggregation-independent effects on individual microbes colonizing the mucosae.

Abstract Salmonella spp. express Salmonella pathogenicity island 1 (SPI-1) genes to mediate the initial phase of interaction with host cells. Prior studies indicate short-chain fatty acids, microbial metabolites at high concentrations in the gastrointestinal tract, limit SPI-1 gene expression. A number of reports show only a subset of Salmonella cells in a population express these genes, suggesting short-chain fatty acids could decrease SPI-1 population-level expression by acting on per-cell expression and/or the proportion of expressing cells. Here, we combine single-cell, theoretical, and molecular approaches to address the effect of short-chain fatty acids on SPI-1 expression. Our results show short-chain fatty acids do not repress SPI-1 expression by individual cells. Rather, these compounds act to selectively slow the growth of SPI-1 expressing cells, ultimately decreasing their frequency in the population. Further experiments indicate slowed growth arises from short-chain fatty acid-mediated depletion of the proton motive force. By influencing the SPI-1 cell-type proportions, our findings imply gut microbial metabolites act on cooperation between the two cell-types and ultimately influence Salmonella ’s capacity to establish within a host. Significance Statement Emergence of distinct cell-types in populations of genetically identical bacteria is common. Furthermore, it is becoming increasingly clear that cooperation between cell-types can be beneficial. This is the case during Salmonella infection, in which cooperation between inflammation-inducing virulent and fast-growing avirulent cell-types occurs during infection to aid in colonization of the host gut. Here, we show gut microbiota-derived metabolites slow growth by the virulent cell-type. Our study implies microbial metabolites shape cooperative interactions between the virulent and avirulent cell types, a finding that can help explain the wide array of clinical manifestations of Salmonella infection.