The bacterial L-form is induced by exposure to cell wall targeting antibiotics or innate immune effectors such as lysozyme and is likely to be important in many human infections. Here, we demonstrate that the osmotically fragile L-form is a distinct physiological state in Escherichia coli that is highly tolerant of oxidative stress and resistant to powerful antibiotics and common therapeutic bacteriophages. L-forms quickly revert (<20h) to their cell-walled state after antibiotic withdrawal, with apparently normal physiology and with few or no changes in DNA sequence. T4-like phages that are obligately lytic in cell-walled E. coli preferentially pseudolysogenise their L-forms providing them with transient superinfection immunity. Our data indicate that L-form switching is a common response of pathogenic E. coli strains to cell wall-targeting antibiotics and that the most commonly used lytic bacteriophages are ineffective against them in this state.

Multidrug resistant carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae capable of causing severe disease in humans is classified as an urgent threat by health agencies worldwide. Bacteriophages are being actively explored as potential therapeutics against these multidrug resistant pathogens. We are currently developing bacteriophage therapy against carbepenem- resistant K. pneumoniae belonging to the genetically diverse, globally disseminated clonal group CG258. In an effort to define a robust experimental approach for effective selection of lytic viruses for therapy, we have fully characterized the bacterial genomes of 18 target strains, tested them against novel lytic bacteriophages, and generated phage-susceptibility profiles. The genomes of K. pneumoniae isolates carrying blaNDM and blaKPC were sequenced and isolates belonging to CG258 were selected for susceptibility testing using a panel of lytic bacteriophages (n=65). The local K. pneumoniae CG258 population was dominated by isolates belonging to sequence type ST258 clade 1 (86%). The primary differences between ST258 genomes were variations in the capsular locus (cps) and in prophage content. We showed that CG258-specific lytic phages primarily target the capsule, and that successful infection is blocked in many, post-adsorption, by immunity conferred by existing prophages. Five bacteriophages specifically active against K. pneumoniae ST258 clade 1 (n=5) belonging to the Caudovirales order were selected for further characterization. Our findings show that effective control of K. pneumoniae CG258 with phage will require mixes of diverse lytic viruses targeting all relevant cps variants and allowing for variable prophage content. These insights will facilitate identification and selection of therapeutic phage candidates against this serious pathogen.

ST73 has emerged as one of the most frequently isolated extraintestinal pathogenic E. coli (ExPEC). To examine the localised diversity of ST73 clonal groups including their mobile genetic elements profile, we sequenced the genomes of 16 multiple drug-resistant ST73 isolates from patients with urinary tract infection from a single hospital in Sydney, Australia between 2009 and 2011. Genome sequences were used to generate a SNP-based phylogenetic tree to determine the relationship of these isolates in a global context with ST73 sequences (n=210) from public databases. There was no evidence of a dominant outbreak strain of ST73 in patients from this hospital, rather we identified at least eight separate groups, several of which reoccur, over a two-year period. The inferred phylogeny of all ST73 strains (n=226) including the ST73 Clone D i2 reference genome shows high bootstrap support and clusters into four major groups which correlate with serotype. The Sydney ST73 strains carry a wide variety of virulence-associated genes but the presence of iss, pic and several iron acquisition operons was notable.

Abstract Effective antimicrobial stewardship requires a better understanding of the impact of different antibiotics on the gut microflora. Studies in humans are confounded by large inter-individual variability and difficulty in identifying control cohorts. However, controlled murine models can provide valuable information. We examined the impact of a penicillin-like antibiotic (piperacillin/tazobactam, TZP) or a third-generation cephalosporin (ceftriaxone, CRO) on the murine gut microbiota. We analyzed gut microbiome composition by 16S-rRNA amplicon sequencing and effects on the Enterobacteriaceae by qPCR and standard microbiology. Colonization resistance to multidrug resistant Escherichia coli ST131 and Klebsiella pneumoniae ST258 was also tested. Changes in microbiome composition and a significant (p<0.001) decrease in diversity occurred in all treated mice, but were more marked and longer lasting after CRO exposure with a persistent rise in Proteobacteria levels. Increases in the Enterobacteriaceae occurred in all antibiotic treated mice, but were transient and associated with direct antibiotic pressure. Co-habitation of treated and untreated mice attenuated the detrimental effect of antibiotics on treated animals, but also caused disturbance in untreated co-habitants. At the height of dysbiosis after antibiotic termination, the murine gut was highly susceptible to colonization with both multidrug resistant pathogens. The administration of a third-generation cephalosporin caused a significantly prolonged dysbiosis in the murine gut microflora, when compared to a penicillin/β-lactam inhibitor combination with comparable activity against medically important virulent bacteria. At the height of dysbiosis, both antibiotic treatments equally led to microbial imbalance associated with loss of resistance to gut colonization by antibiotic-resistant pathogens.