ABSTRACT The complete sequencing of bacterial genomes has revealed a large number of drug transporter genes. In Escherichia coli , there are 37 open reading frames (ORFs) assumed to be drug transporter genes on the basis of sequence similarities, although the transport capabilities of most of them have not been established yet. We cloned all 37 putative drug transporter genes in E. coli and investigated their drug resistance phenotypes using an E. coli drug-sensitive mutant as a host. E. coli cells transformed with a plasmid carrying one of 20 ORFs, i.e., fsr , mdfA , yceE , yceL , bcr , emrKY , emrAB , emrD , yidY , yjiO , ydhE , acrAB , cusA (formerly ybdE ), yegMNO , acrD , acrEF , yhiUV , emrE , ydgFE , and ybjYZ , exhibited increased resistance to some of the 26 representative antimicrobial agents and chemical compounds tested in this study. Of these 20 ORFs, cusA , yegMNO , ydgFE , yceE , yceL , yidY, and ybjYZ are novel drug resistance genes. The fsr, bcr, yjiO , ydhE, acrD, and yhiUV genes gave broader resistance spectra than previously reported.

Summary Drug efflux systems play a major role in resistance to a wide range of noxious compounds in several Gram negative species. Here, we report the drug resistance and virulence phenotypes of Salmonella mutants defective in either resistance‐nodulation‐division (RND)‐type systems and/or in drug efflux systems belonging to the major facilitator (MFS), multidrug and toxic compound extrusion (MATE), and ATP‐binding cassette (ABC) superfamilies. We determined that nine potential drug transporters contribute to drug resistance of Salmonella and found that the Salmonella ‐specific MdsABC system conferred resistance to a variety of toxic compounds. The RND‐type MdsAB system could function with either MdsC, which is encoded in the same operon, or TolC as the outer membrane component. Although the Salmonella EmrAB, MdfA and MdtK are 90% identical in their amino acid sequences to their Escherichia coli homologues, the drug specificity of Salmonella transporters was different from that reported for equivalent E. coli transporters. Deletion of the macAB genes attenuated Salmonella virulence and a strain lacking all drug efflux systems was avirulent when mice were inoculated by the oral route. The promoter region of the macAB drug efflux system genes harbours a binding site for the response regulator PhoP, which functions to repress macAB transcription. The PhoP/PhoQ two‐component system is a major regulator of Salmonella virulence, which underscores the connection between drug efflux systems and virulence.

EDITORIAL article Front. Microbiol., 05 February 2015Sec. Antimicrobials, Resistance and Chemotherapy https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00034

Abstract Cefiderocol is a novel siderophore cephalosporin antibiotic exhibiting activities against carbapenem-resistant Gram-negative bacteria including Pseudomonas aeruginosa and Enterobacteriaceae . Drug efflux pumps are reportedly involved in both intrinsic and acquired drug resistance, although their role in bacterial cefiderocol susceptibility remains poorly understood. In this study, we investigated how drug efflux pumps contribute to bacterial cefiderocol susceptibility using the efflux pump(s)-deficient and overexpressing strains of P. aeruginosa, Escherichia coli , and Salmonella enterica . We observed that the mexAB - oprM -deficient P. aeruginosa mutant displayed increased cefiderocol susceptibility compared to the wild-type strain. The overexpression of mexAB-oprM or mexXY-oprM in the mexAB - oprM -deficient mutant increased the MIC value of cefiderocol. Furthermore, the pump inhibitor phenylalanine-arginine β-naphthylamide increased cefiderocol susceptibility in wild-type P. aeruginosa whereas it did not affect the susceptibility of the mexAB - oprM -deficient mutant. These data indicate that the MexAB-OprM drug efflux system contributes to the intrinsic cefiderocol resistance of P. aeruginosa . In addition, MexXY-OprM partially complemented the function of MexAB-OprM in the cefiderocol susceptibility, when expressed.

Abstract Multidrug resistance (MDR) in bacteria can be caused by the over-expression of multidrug efflux pumps belonging to the Resistance-Nodulation-Division (RND) superfamily of proteins. These intrinsic or acquired pumps can export a wide range of antibiotics. Recently, amino acid substitutions within these pumps have been observed in resistant clinical strains. Among others, two of these worrying gain-of-function mutations are R717L and R717Q in the proximal binding pocket of efflux pump AcrB (AcrB-Sa) found in azithromycin-resistant Salmonella enterica spp. We investigated the ramifications of these (and other) mutations in phylogenetically closely related AcrB from Escherichia coli (AcrB-Ec). We found that AcrB-Ec harboring Arg717 substitutions were significantly more effective in exporting all tested macrolides, with an up to 8-fold increase in the minimum inhibitory concentration (MIC) values (from 16 to 128 μg/mL for azithromycin). Interestingly, gain-of-function was also seen for fluoroquinolones (2-fold higher MICs), while there was a consistent loss-of-function for the export of novobiocin and β-lactam cloxacillin (2-fold lower MICs), pointing to a protein adaptation, which simultaneously partly compromised the efflux ability of other compounds with different molecular properties. Disk diffusion susceptibility testing corroborated the findings, as the R717Q and R717L mutant strains had significantly smaller inhibition zones for macrolides and fluoroquinolones and a larger inhibition zone for novobiocin, compared to the wild type. The spread and independent emergences of these potent efflux pump mutations highlight the necessity of control of, and adjustments to, treatments with antibiotics and the need for novel antibiotics and efflux pump inhibitors. Importance The over-expression of multidrug efflux pumps is a major cause of multidrug-resistant bacteria. The emergence of gain-of-function mutations in these pumps is additionally worrying, as these render last-resort antibiotic treatment options ineffective. The Arg717-mutations in related Salmonella Typhi and Paratyphi A AcrB caused azithromycin-resistant strains, with resistance levels past breakpoints. This is worrying, as azithromycin is a last-resort antibiotic after fluoroquinolones to treat typhoid and paratyphoid fever. Our findings that the same substitutions in closely related Escherichia coli AcrB cause an increase in MICs for both fluoroquinolones and macrolides is worrying as it shows the effect of one amino acid substitution on a multitude of treatment options. Additionally, the finding that the substitutions negatively impact the export of other drugs, such as β-lactam cloxacillin, suggests that treatment with multiple antibiotics may mitigate resistance and improve treatment. Our findings also imply the urge to develop novel antibiotics and inhibitors.

Abstract The emergence of bacteria that are resistant to antibiotics is common in areas where antibiotics are used widely. The current standard procedure for detecting bacterial drug resistance is based on bacterial growth under antibiotic treatments. Here we describe the morphological changes in enoxacin-resistant Escherichia coli cells and the computational method used to identify these resistant cells in transmission electron microscopy (TEM) images without using antibiotics. Our approach was to create patches from TEM images of enoxacin-sensitive and enoxacin-resistant E. coli strains, use a convolutional neural network for patch classification, and identify the strains on the basis of the classification results. The proposed method was highly accurate in classifying cells, achieving an accuracy rate of 0.94. Using a gradient-weighted class activation mapping to visualize the region of interest, enoxacin-resistant and enoxacin-sensitive cells were characterized by comparing differences in the envelope. Moreover, Pearson’s correlation coefficients suggested that four genes, including lpp , the gene encoding the major outer membrane lipoprotein, were strongly associated with the image features of enoxacin-resistant cells.

Nucleoside triphosphates are indispensable in numerous biological processes, with enzymes involved in their biogenesis playing pivotal roles in cell proliferation. Pyruvate kinase (PYK), commonly regarded as the terminal glycolytic enzyme that generates ATP in tandem with pyruvate, is also capable of synthesizing a wide range of nucleoside triphosphates from their diphosphate precursors. Despite their substrate promiscuity, some PYKs show preference towards specific nucleotides, suggesting an underlying mechanism for differentiating nucleotide bases. However, the thorough characterization of this mechanism has been hindered by the paucity of nucleotide-bound PYK structures. Here, we present crystal structures of Streptococcus pneumoniae PYK in complex with four different nucleotides. These structures facilitate direct comparison of the protein-nucleotide interactions and offer structural insights into its pronounced selectivity for GTP synthesis. Notably, this selectivity is dependent on a sequence motif in the nucleotide recognition site that is widely present among prokaryotic PYKs, particularly in Firmicutes species. We show that pneumococcal cell growth is significantly impaired when expressing a PYK variant with compromised GTP and UTP synthesis activity, underscoring the importance of PYK in maintaining nucleotide homeostasis. Our findings collectively advance our understanding of PYK biochemistry and prokaryotic metabolism.