Several members of the family Enterobacteriaceae were examined for differences in extreme acid survival strategies. A surprising degree of variety was found between three related genera. The minimum growth pH of Salmonella typhimurium was shown to be significantly lower (pH 4.0) than that of either Escherichia coli (pH 4.4) or Shigella flexneri (pH 4.8), yet E. coli and S. flexneri both survive exposure to lower pH levels (2 to 2.5) than S. typhimurium (pH 3.0) in complex medium. S. typhimurium and E. coli but not S. flexneri expressed low-pH-inducible log-phase and stationary-phase acid tolerance response (ATR) systems that function in minimal or complex medium to protect cells to pH 3.0. All of the organisms also expressed a pH-independent general stress resistance system that contributed to acid survival during stationary phase. E. coli and S. flexneri possessed several acid survival systems (termed acid resistance [AR]) that were not demonstrable in S. typhimurium. These additional AR systems protected cells to pH 2.5 and below but required supplementation of minimal medium for either induction or function. One acid-inducible AR system required oxidative growth in complex medium for expression but successfully protected cells to pH 2.5 in unsupplemented minimal medium, while two other AR systems important for fermentatively grown cells required the addition of either glutamate or arginine during pH 2.5 acid challenge. The arginine AR system was only observed in E. coli and required stationary-phase induction in acidified complex medium. The product of the adi locus, arginine decarboxylase, was responsible for arginine-based acid survival.

ABSTRACT Gene expression profiles of Escherichia coli K-12 W3110 were compared as a function of steady-state external pH. Cultures were grown to an optical density at 600 nm of 0.3 in potassium-modified Luria-Bertani medium buffered at pH 5.0, 7.0, and 8.7. For each of the three pH conditions, cDNA from RNA of five independent cultures was hybridized to Affymetrix E . coli arrays. Analysis of variance with an α level of 0.001 resulted in 98% power to detect genes showing a twofold difference in expression. Normalized expression indices were calculated for each gene and intergenic region (IG). Differential expression among the three pH classes was observed for 763 genes and 353 IGs. Hierarchical clustering yielded six well-defined clusters of pH profiles, designated Acid High (highest expression at pH 5.0), Acid Low (lowest expression at pH 5.0), Base High (highest at pH 8.7), Base Low (lowest at pH 8.7), Neutral High (highest at pH 7.0, lower in acid or base), and Neutral Low (lowest at pH 7.0, higher at both pH extremes). Flagellar and chemotaxis genes were repressed at pH 8.7 (Base Low cluster), where the cell's transmembrane proton potential is diminished by the maintenance of an inverted pH gradient. High pH also repressed the proton pumps cytochrome o ( cyo ) and NADH dehydrogenases I and II. By contrast, the proton-importing ATP synthase F 1 F o and the microaerophilic cytochrome d ( cyd ), which minimizes proton export, were induced at pH 8.7. These observations are consistent with a model in which high pH represses synthesis of flagella, which expend proton motive force, while stepping up electron transport and ATPase components that keep protons inside the cell. Acid-induced genes, on the other hand, were coinduced by conditions associated with increased metabolic rate, such as oxidative stress. All six pH-dependent clusters included envelope and periplasmic proteins, which directly experience external pH. Overall, this study showed that (i) low pH accelerates acid consumption and proton export, while coinducing oxidative stress and heat shock regulons; (ii) high pH accelerates proton import, while repressing the energy-expensive flagellar and chemotaxis regulons; and (iii) pH differentially regulates a large number of periplasmic and envelope proteins.

Escherichia coli K-12 strains and Shigella flexneri grown to stationary phase can survive several hours at pH 2 to 3, which is considerably lower than the acid limit for growth (about pH 4.5). A 1.3-kb fragment cloned from S. flexneri conferred acid resistance on acid-sensitive E. coli HB101; sequence data identified the fragment as a homolog of rpoS, the growth phase-dependent sigma factor sigma 38. The clone also conferred acid resistance on S. flexneri rpoS::Tn10 but not on Salmonella typhimurium. E. coli and S. flexneri strains containing wild-type rpoS maintained greater internal pH in the face of a low external pH than strains lacking functional rpoS, but the ability to survive at low pH did not require maintenance of a high transmembrane pH difference. Aerobic stationary-phase cultures of E. coli MC4100 and S. flexneri 3136, grown initially at an external pH range of 5 to 8, were 100% acid resistant (surviving 2 h at pH 2.5). Aerobic log-phase cultures grown at pH 5.0 were acid resistant; survival decreased 10- to 100-fold as the pH of growth was increased to pH 8.0. Extended growth in log phase also decreased acid resistance substantially. Strains containing rpoS::Tn10 showed partial acid resistance when grown at pH 5 to stationary phase; log-phase cultures showed < 0.01% acid resistance. When grown anaerobically at low pH, however, the rpoS::Tn10 strains were acid resistant. E. coli MC4100 also showed resistance at alkaline pH outside the growth range (base resistance). Significant base resistance was observed up to pH 10.2. Base resistance was diminished by rpoS::Tn10 and by the presence of Na+. Base resistance was increased by an order of magnitude for stationary-phase cultures grown in moderate base (pH 8) compared with those grown in moderate acid (pH 5). Anaerobic growth partly restored base resistance in cultures grown at pH 5 but not in those grown at pH 8. Thus, both acid resistance and base resistance show dependence on growth pH and are regulated by rpoS under certain conditions. For acid resistance, and in part for base resistance, the rpoS requirement can be overcome by anaerobic growth in moderate acid.

ABSTRACT Cytoplasmic pH and periplasmic pH of Escherichia coli cells in suspension were observed with 4-s time resolution using fluorimetry of TorA-green fluorescent protein mutant 3* (TorA-GFPmut3*) and TetR-yellow fluorescent protein. Fluorescence intensity was correlated with pH using cell suspensions containing 20 mM benzoate, which equalizes the cytoplasmic pH with the external pH. When the external pH was lowered from pH 7.5 to 5.5, the cytoplasmic pH fell within 10 to 20 s to pH 5.6 to 6.5. Rapid recovery occurred until about 30 s after HCl addition and was followed by slower recovery over the next 5 min. As a control, KCl addition had no effect on fluorescence. In the presence of 5 to 10 mM acetate or benzoate, recovery from external acidification was diminished. Addition of benzoate at pH 7.0 resulted in cytoplasmic acidification with only slow recovery. Periplasmic pH was observed using TorA-GFPmut3* exported to the periplasm through the Tat system. The periplasmic location of the fusion protein was confirmed by the observation that osmotic shock greatly decreased the periplasmic fluorescence signal by loss of the protein but had no effect on the fluorescence of the cytoplasmic protein. Based on GFPmut3* fluorescence, the pH of the periplasm equaled the external pH under all conditions tested, including rapid acid shift. Benzoate addition had no effect on periplasmic pH. The cytoplasmic pH of E. coli was measured with 4-s time resolution using a method that can be applied to any strain construct, and the periplasmic pH was measured directly for the first time.

ABSTRACT Current supervised phylogeny-based methods fall short on recognizing species assembled from metagenomic datasets from under-investigated habitats, as they are often incomplete or lack closely known relatives. Here, we report an efficient software suite, “Genome Constellation”, that estimates similarities between genomes based on their k-mer matches, and subsequently uses these similarities for classification, clustering, and visualization. The clusters of reference genomes formed by Genome Constellation closely resemble known phylogenetic relationships while simultaneously revealing unexpected connections. In a dataset containing 1,693 draft genomes assembled from the Antarctic lake communities where only 40% could be placed in a phylogenetic tree, Genome Constellation improves taxa assignment to 61%. It revealed six clusters derived from new bacterial phyla and 63 new giant viruses, 3 of which missed by the traditional marker-based approach. In summary, we demonstrate that Genome Constellation can tackle the computational and algorithmic challenges in large-scale taxonomy analyses in metagenomics.

ABSTRACT The perennial ice-covered lakes of the Antarctic McMurdo Dry Valleys harbor oligotrophic microbial communities that are separated geographically from other aquatic systems. Their microbiomes include planktonic microbes as well as lift-off mat communities that emerge from the ice. We used ShortBRED to quantify the antibiotic resistance genes (ARGs) from metagenomes of lift-off mats emerging from ice, and from filtered water samples of Lake Fryxell and Lake Bonney. The overall proportion of ARG hits was similar to that found in temperate-zone rural water bodies with moderate human inputs. Specific ARGs showed distinct distributions for the two lakes, and for mat versus planktonic sources. Metagenomic taxa distributions showed that mat phototrophs consisted mainly of cyanobacteria or betaproteobacteria, whereas the water column phototrophs were mainly protists. An enrichment culture of the betaproteobacterium Rhodoferax antarcticus from a Lake Fryxell mat sample showed an unusual mat-forming phenotype not previously reported for this species. Its genome showed no ARGs associated with betaproteobacteria, but had ARGs consistent with a minor Pseudomonas component. The Antarctic lake mats and water showed specific ARGs distinctive to the mat and water sources, but overall ARG levels were similar to those of temperate water bodies with moderate human inputs.

ABSTRACT Background Halobacterium sp. NRC-1 (NRC-1) is an extremely halophilic archaeon that is adapted to multiple stressors such as UV, ionizing radiation and arsenic exposure. We conducted experimental evolution of NRC-1 under acid stress. NRC-1 was serially cultured in CM+ medium modified by four conditions: optimal pH (pH 7.5), acid stress (pH 6.3), iron amendment (600 μM ferrous sulfate, pH 7.5), and acid plus iron (pH 6.3, with 600 μM ferrous sulfate). For each condition, four independent lineages of evolving populations were propagated. After 500 generations, 16 clones were isolated for phenotypic characterization and genomic sequencing. Results Genome sequences of all 16 clones revealed 378 mutations, of which 90% were haloarchaeal insertion sequences (ISH) and ISH-mediated large deletions. This proportion of ISH events in NRC-1 was five-fold greater than that reported for comparable evolution of E. coli . One acid-evolved clone had increased fitness compared to the ancestral strain when cultured at low pH. Seven of eight acid-evolved clones had a mutation within or upstream of arcD , which encodes an arginine-ornithine antiporter; no non-acid adapted strains had arcD mutations. Mutations also affected the arcR regulator of arginine catabolism, which protects bacteria from acid stress by release of ammonia. Two acid-adapted strains shared a common mutation in bop , which encodes the bacteriorhodopsin light-driven proton pump. Unrelated to pH, one NRC-1 minichromosome (megaplasmid) pNRC100 had increased copy number, and we observed several mutations that eliminate gas vesicles and arsenic resistance. Thus, in the haloarchaeon NRC-1, as in bacteria, pH adaptation was associated with genes involved in arginine catabolism and proton transport. Conclusions Our study is among the first to report experimental evolution with multiple resequenced genomes of an archaeon. Haloarchaea are polyextremophiles capable of growth under environmental conditions such as concentrated NaCl and desiccation, but little is known about pH stress. Halobacterium sp. NRC-1 (NRC-1) is considered a model organism for the feasibility of microbial life in iron-rich brine on Mars. Interesting parallels appear between the molecular basis of pH adaptation in NRC-1 and in bacteria, particularly the acid-responsive arginine-ornithine system found in oral streptococci.

ABSTRACT The aspirin derivative salicylate selects against bacterial multidrug efflux pumps of Escherichia coli K-12 such as MdtEF-TolC and EmrAB-TolC, and acid stress regulators such as GadE. Salicylate uptake is driven by the transmembrane pH gradient (ΔpH) and the proton motive force (PMF) which drives many efflux pumps. We used flow cytometry to measure the fitness tradeoffs of salicylate, bile acids, and extreme low pH for E. coli cultured with pump deletants. The AcrAB-TolC efflux pump conferred a fitness advantage in the presence of bile acids, an efflux substrate. Without bile acids, AcrA incurred a small fitness cost. The fitness advantage with bile acids was eliminated by the PMF uncoupler CCCP. The Gad acid fitness island encodes components of MdtEF-TolC (an acid-adapted efflux pump) as well as acid regulator GadE. The fitness advantage of E. coli cocultured with a Gad deletant (Δ slp-gadX ) was lost in the presence of salicylate. Salicylate caused an even larger fitness cost for GadE. MdtE incurred negative or neutral fitness under all media conditions, as did EmrA. But when the competition cycle included two hours at pH 2, MdtE conferred a fitness advantage. The MdtE advantage required the presence of bile acids. Thus, the MdtEF-TolC pump is useful to E. coli for transient extreme acid exposure comparable to passage through the acidic stomach. Salicylate selects against some multidrug efflux pumps, whereas bile acids selects for them; and these fitness tradeoffs are amplified by extreme acid. IMPORTANCE Control of drug resistance in gut microbial communities is a compelling problem for human health. Growth of gut bacteria is limited by host-produced acids such as bile acids, and may be modulated by plant-derived acids such as salicylic acid. Membrane-soluble organic acids can control bacterial growth by disrupting membranes, decreasing cell pH, and depleting PMF. Our flow cytometry assay measures the fitness effects of exposure to membrane-soluble organic acids, with growth cycles that may include a period of extreme acid. We find that extreme-acid exposure leads to a fitness advantage for a multidrug pump, MdtEF-TolC, which otherwise incurs a large fitness cost. Thus, organic acids and stomach acid may play important roles in controlling multidrug resistance in the gut microbiome. Therapeutic acids might be developed to limit the prevalence of multidrug resistance pumps in environmental and host-associated communities.

Evolutionary innovations allow populations to colonize new, previously inaccessible ecological niches. We previously reported that aerobic growth on citrate (Cit++) evolved in a population of Escherichia coli during adaptation to a minimal glucose medium containing citrate (DM25). Cit+ can grow in citrate-only medium (DM0), which is a novel environment for E. coli . To study adaptation to this new niche, we evolved one set of Cit+ populations for 2,500 generations in DM0 and a control set in DM25. We identified numerous parallel mutations, many mediated by transposable elements. Several lineages evolved multi-copy amplifications containing the maeA gene, constituting up to ~15% of the genome. We also found substantial cell death in ancestral and evolved clones. Our results demonstrate the importance of copy-number variation and transposable elements in the refinement of the Cit+ trait. However, the observed mortality suggests a persistent evolutionary mismatch between E. coli physiology and a citrate-only environment.

Microbial communities of small freshwater bodies are poorly understood. Four ponds in Knox County, Ohio, were sampled over two years to investigate the relationship between the microbial taxa profiles, antibiotic resistance genes (ARGs), and environmental factors such as pH and tannin concentrations. For each site, microbial communities were collected by filtration and metagenomes were analyzed by short-read sequencing. Taxa profiles were predicted by the Kraken2/Bracken pipelines. Bacterial taxa with high abundance in these ponds included Betaproteobacteria (Polynucleobacter and Methylopumilus) and Actinobacteria (Planktophila, Nanopelagicus, and Mycolicibacterium). One pond, a former quarry with elevated pH, showed high prevalence of Cyanobacteria with a seasonal shift from Synechococcus to Planktothrix in the fall. Planktothrix increase was associated with acidification. ARGs were quantified using the ShortBRED pipeline to detect and quantify hits to a marker set derived from the Comprehensive Antibiotic Resistance Database (CARD). The top two ARGs with the largest marker hits encode components of a Stenotrophomonas drug efflux pump powered by proton-motive force (smeABC) and a mycobacterial global regulator that activates a drug pump and other cell defenses (mtrA). Pump function and global activation of transcription incur large energy expenditures, whose fitness cost may increase at high external pH where the cell's proton-motive force is diminished. The smeABC and mtrA prevalence showed a modest correlation with acidifying conditions (low pH and high tannins) which contribute a large transmembrane pH difference to the proton-motive force, thus increasing the cell's energy available for pump function and global gene expression. Compared to rivers and lakes, pond microbial ecosystems are understudied despite close contact with agriculture and recreation. Environmental microbes offer health benefits as well as hazards for human contact. Small water bodies may act as reservoirs for drug-resistant organisms and transfer of antibiotic resistance genes. Yet, the public is rarely aware of the potential for exposure to ARG-carrying organisms in recreational water bodies. Little is known about the capacity for freshwater microbial communities to remediate drug pollution and which biochemical factors may select against antibiotic resistance genes. This study analyzes the bacterial taxa composition and ARG prevalence including possible influence of factors such as pH and tannic acid levels.