Abstract Metabolic flux is the final output of cellular regulation and has been extensively studied for carbon but much less is known about nitrogen, which is another important building block for living organisms. For the pathogen Mycobacterium tuberculosis (Mtb), this is particularly important in informing the development of effective drugs targeting Mtb’s metabolism. Here we performed 13 C 15 N dual isotopic labelling of mycobacterial steady state cultures and quantified intracellular carbon-nitrogen (CN) and nitrogen (N) fluxes in addition to carbon (C) fluxes and inferred their reaction bidirectionalities. The combination of 13 C 15 N-MFA with a Bayesian multi-model approach allowed us to resolve C and N fluxes simultaneously which was not possible with classical 13 C-MFA. We quantified CN fluxes for amino acid and, for the first time, nucleotide biosynthesis. Our analysis identified glutamate as the central CN and N node in mycobacteria, and improved resolution of the anaplerotic node. Our study describes a powerful platform to measure carbon and nitrogen metabolism in any biological system with statistical rigor.

Abstract The rapid emergence of antibiotic resistant bacterial pathogens constitutes a critical problem in healthcare and requires the development of novel treatments. Potential strategies include the exploitation of microbial social interactions based on public goods, which are produced at a fitness cost by cooperative microorganisms, but can be exploited by cheaters that do not produce these goods. Cheater invasion has been proposed as a ‘Trojan horse’ approach to infiltrate pathogen populations with strains deploying built-in weaknesses (e.g. sensitiveness to antibiotics). However, previous attempts have been often unsuccessful because population invasion by cheaters was prevented by various mechanisms including the presence of spatial structure (e.g. growth in biofilms), which limits the diffusion and exploitation of public goods. Here we followed an alternative approach and examined whether the manipulation of public good uptake and not its production could result in potential ‘Trojan horses’ suitable for population invasion. We focused on the siderophore pyoverdine produced by the human pathogen Pseudomonas aeruginosa MPAO1 and manipulated its uptake by deleting and/or overexpressing the pyoverdine primary (FpvA) and secondary (FpvB) receptors. We found that receptor synthesis feeds back on pyoverdine production and uptake rates, which led to strains with altered pyoverdine-associated costs and benefits. Moreover, we found that the receptor FpvB was advantageous under iron-limited conditions but revealed hidden costs in the presence of an antibiotic stressor (gentamicin). As a consequence, FpvB mutants became the fittest strain under gentamicin exposure, displacing the wildtype in liquid cultures, and in biofilms and during infections of the wax moth larvae Galleria mellonella , which both represent structured environments. Our findings reveal that an evolutionary trade-off associated with the costs and benefits of a versatile pyoverdine uptake strategy can be harnessed for devising a Trojan horse candidate for medical interventions.

Abstract Immunoglobulin gene heterogeneity reflects the diversity and focus of the humoral immune response towards different infections, enabling inference of B cell development processes. Detailed compositional and lineage analysis of long read IGH repertoire sequencing, combining examples of pandemic, epidemic and endemic viral infections with control and vaccination samples, demonstrates general responses including increased use of IGHV4-39 in both EBOV and COVID-19 infection cohorts. We also show unique characteristics absent in RSV infection or yellow fever vaccine samples: EBOV survivors show unprecedented high levels of class switching events while COVID-19 repertoires from acute disease appear underdeveloped. Despite the high levels of clonal expansion in COVID-19 IgG1 repertoires there is a striking lack of evidence of germinal centre mutation and selection. Given the differences in COVID-19 morbidity and mortality with age, it is also pertinent that we find significant differences in repertoire characteristics between young and old patients. Our data supports the hypothesis that a primary viral challenge can result in a strong but immature humoral response where failures in selection of the repertoire risks off-target effects.