Abstract The persistence of plasmids in bacterial populations represents a puzzling evolutionary problem with serious clinical implications due to their role in the ongoing antibiotic resistance crisis. Recently, major advancements have been made towards resolving this “plasmid paradox” but mainly in a non-clinical context. Here we propose an additional explanation for the maintenance of multidrug resistance (MDR) plasmids in clinical Escherichia coli strains. After co-evolving two MDR plasmids encoding last resort carbapenem resistance with an extraintestinal pathogenic E. coli strain, we observed that chromosomal media adaptive mutations in the global regulatory systems CCR (Carbon Catabolite Repression) and ArcAB (Aerobic Respiration Control) pleiotropically mitigated the costs of both plasmids. Mechanistically, cost reductions were due to a net downregulation of plasmid gene expression. Our results suggest that global chromosomal transcriptional re-wiring during bacterial niche-adaptation may facilitate plasmid maintenance.

Abstract Extrachromosomal elements of bacterial cells such as plasmids are notorious for their importance in evolution and adaptation to changing ecology. However, high-resolution population-wide analysis of plasmids has only become accessible recently with the advent of scalable long-read sequencing technology. Current typing methods for the classification of plasmids remain limited in their scope which motivated us to develop a computationally efficient approach to simultaneously recognize novel types and classify plasmids into previously identified groups. Our method can easily handle thousands of input sequences which are compressed using a unitig representation in a de Bruijn graph. We provide an intuitive visualization, classification and clustering scheme that users can explore interactively. This provides a framework that can be easily distributed and replicated, enabling a consistent labelling of plasmids across past, present, and future sequence collections. We illustrate the attractive features of our approach by the analysis of population-wide plasmid data from the opportunistic pathogen Escherichia coli and the distribution of the colistin resistance gene mcr-1 . 1 in the plasmid population.

Abstract Background Bacterial whole-genome sequencing based on short-read sequencing data often results in a draft assembly formed by contiguous sequences. The introduction of long-read sequencing technologies permits to unambiguously bridge those contiguous sequences into complete genomes. However, the elevated costs associated with long-read sequencing frequently limit the number of bacterial isolates that can be long-read sequenced. Here we evaluated the recently released 96 barcoding kit from Oxford Nanopore Technologies (ONT) to generate complete genomes on a high-throughput basis. In addition, we propose a long-read isolate selection strategy that optimizes a representative selection of isolates from large-scale bacterial collections. Results Despite an uneven distribution of long-reads per barcode, near-complete chromosomal sequences (assembly contiguity = 0.89) were generated for 96 Escherichia coli isolates with associated short-read sequencing data. The assembly contiguity of the plasmid replicons was even higher (0.98) which indicated the suitability of the multiplexing strategy for studies focused on resolving plasmid sequences. We benchmarked hybrid and ONT-only assemblies and showed that the combination of ONT sequencing data with short-read sequencing data is still highly desirable: (i) to perform an unbiased selection of isolates for long-read sequencing, (ii) to achieve an optimal genome accuracy and completeness, and (iii) to include small plasmids underrepresented in the ONT library. Conclusions The proposed long-read isolate selection ensures completing bacterial genomes of isolates that span the genome diversity inherent in large collections of bacterial isolates. We show the potential of using this multiplexing approach to close bacterial genomes on a high-throughput basis.

ABSTRACT The molecular mechanisms by which epistasis boosts enzyme activity remain elusive, undermining our ability to predict the evolution of pathogens and engineer novel biocatalysts. Here, we reveal how directed evolution of a β-lactamase yielded highly epistatic activity enhancements. Evolution selected four mutations that increase antibiotic resistance 40-fold, despite their marginal individual effects (≤ 2-fold). Synergistic improvements coincided with the introduction of super-stochiometric burst kinetics, indicating that epistasis is rooted in the enzyme’s conformational dynamics. Kinetic, structural, and dynamical analyses reveal that epistasis was driven by distinct effects of each mutation on the catalytic cycle. The first mutation acquired during evolution increases protein flexibility and accelerates substrate binding, which is rate-limiting in the wild-type enzyme. The ensuing mutations predominantly boosted the chemical steps by fine-tuning substrate interactions. Our work identifies an overlooked cause for epistasis: changing the rate-limiting step can result in substantial positive synergy boosting enzyme activity.

ABSTRACT Cefiderocol is a novel siderophore β-lactam with improved hydrolytic stability toward β-lactamases, including carbapenemases, achieved by combining structural moieties of two clinically efficient cephalosporins, ceftazidime and cefepime. Consequently, cefiderocol represents a treatment alternative for infections caused by multi-drug resistant Gram-negatives. Using directed evolution on a wide variety of different β-lactamases, such as KPC-2 and CTX-M-15 (Ambler class A), NDM-1 (class B), CMY-2 (class C) and OXA-48 (class D), we studied the role of cefiderocol during β-lactamase-mediated resistance development. First, we investigated how the expression of different β-lactamases causes changes in cefiderocol susceptibility. In a low-copy number vector, we found that OXA-48 and KPC-2 conferred non or marginal decreases in cefiderocol susceptibility, respectively. On the contrary, CMY-2, CTX-M-15 and NDM-1 substantially decreased cefiderocol susceptibility by 16-, 8- and 32-fold, respectively. Second, we determined the evolutionary potential of these enzymes to adapt to increasing concentrations of cefiderocol. Our data show that with the acquisition of only 1 to 2 mutations, all β-lactamases were evolvable to further cefiderocol resistance by 2- (NDM-1, CTX-M-15), 4- (CMY-2), 8- (OXA-48) and 16-fold (KPC-2). Cefiderocol resistance development was often associated with collateral susceptibility changes including increased resistance to ceftazidime and ceftazidime-avibactam as well as functional trade-offs against different β-lactam drugs. Taken together, contemporary β-lactamases of all Ambler classes can potentially contribute to cefiderocol resistance development and can acquire mutations allowing them to adapt to increasing cefiderocol concentration. At the same time, resistance development caused clinically important cross-resistance, especially against ceftazidime combinations. Summary Despite the reported higher stability of cefiderocol against β-lactamase hydrolysis, we show that the expression of β-lactamases from different Ambler classes significantly contributes to cefiderocol resistance and that these enzymes have the evolutionary potential to evolve towards increasing cefiderocol concentrations.

There is urgent need to develop novel treatment strategies to reduce antimicrobial resistance. Collateral sensitivity (CS), where resistance to one antimicrobial increases susceptibility to other drugs, is a uniquely promising strategy that enables selection against resistance during treatment. However, using CS-informed therapy depends on conserved CS networks across genetically diverse bacterial strains. We examined CS conservation in 10 clinical strains of E. coli resistant to four clinically relevant antibiotics. Collateral susceptibilities of these 40 resistant mutants were then determined against a panel of 16 antibiotics. Multivariate statistical analyses demonstrate that resistance mechanisms, in particular efflux-related mutations, as well as relative fitness were principal contributors to collateral changes. Moreover, collateral responses shifted the mutant selection window suggesting that CS-informed therapies could affect evolutionary trajectories of antimicrobial resistance. Our data allow optimism for CS-informed therapy and further suggest that early detection of resistance mechanisms is important to accurately predict collateral antimicrobial responses.

Abstract Plasmids can impact the evolution of their hosts, e.g. due to carriage of mutagenic genes, through cross-talk with host genes or as result of SOS induction during transfer. Here we demonstrate that plasmids can cause microindel mutations in the host genome. These mutations are driven by the production of single-stranded DNA molecules that invade replication forks at microhomologies and subsequently get integrated into the genome. Using the gammaproteobacterial model organism Acinetobacter baylyi , we show that carriage of broad host range plasmids from different incompatibility groups can cause microindel mutations directly or indirectly. The plasmid pQLICE belonging to the incompatibility group Q (IncQ) and replicating by a characteristic strand displacement mechanism can generate chromosomal microindel mutations directly with short stretches of DNA originating from pQLICE. In addition, the presence of plasmids can increase microindel mutation frequencies indirectly (i.e., with chromosomal ectopic DNA) as shown with the IncP plasmid vector pRK415 (theta replication mechanism), presumably through plasmid-chromosome interactions that lead to DNA damages. These results provide new mechanistic insights into the microindel mutation mechanism, suggesting that single-stranded DNA repair intermediates are the causing agents. By contrast, the IncN plasmid RN3 appears to suppress host microindel mutations. The suppression mechanism remains unknown. Other plasmids in this study confer ambiguous or no quantifiable mutagenic effects.

Escherichia coli is a major human pathogen and the most widely studied microbe in history, but its extrachromosomal elements known as plasmids remain poorly delineated. Here we used long-read technology to high-resolution sequence the entire plasmidome and the corresponding host chromosomes from a longitudinal survey covering two decades and over 2,000 E. coli isolates. Separation of chromosomal and extrachromosomal DNA enabled us to reconstruct co-evolutionary trajectories of host lineages and their plasmids on a population-wide scale, demonstrating that plasmid evolution is markedly constrained contrary to the established dogma. We find that some plasmids have persisted in lineages for centuries, and provide a high-resolution map of recent vertical and horizontal evolutionary events in plasmids with key antibiotic resistance, competition and virulence determinants. We present genomic evidence of both chromosomal and plasmid-driven success strategies that represent convergent phenotypic evolution in distant lineages, and use in vitro experiments to verify the importance of bacteriocin-producing plasmids for clone success. Our study has general implications for understanding plasmid biology and bacterial evolutionary strategies, and informing development of future interventions against pathogens.

Abstract Understanding drivers of antibiotic resistance evolution is fundamental for designing optimal treatment strategies and interventions to reduce the spread of antibiotic resistance. Various cytotoxic drugs used in cancer chemotherapy have antibacterial properties, but how bacterial populations are affected by these selective pressures is unknown. Here we test the hypothesis that the widely used cytotoxic drug methotrexate affects the evolution and selection of antibiotic resistance through the same mechanisms as the antibiotic trimethoprim. We show that methotrexate can select for trimethoprim resistance determinants located on the chromosome or a plasmid in clinical strains of Escherichia coli . Additionally, methotrexate can co-select for virtually any antibiotic resistance determinant when present together with trimethoprim resistance on a multidrug-resistance clinical plasmid. These selective effects occur at concentrations 40- to >320-fold below the methotrexate minimal inhibitory concentration for E. coli , suggesting a selective role of methotrexate chemotherapy for antibiotic resistance in patients that strongly depend on effective antibiotic treatment. Significance statement The presented data show that methotrexate has the potential to select for virtually any given antibiotic resistance gene when genetically linked to trimethoprim resistance. This study highlights the need for increased awareness of the presence of acquired antibiotic resistance determinants in the gut of patients with impaired immunity undergoing methotrexate treatment to preserve the effects of downstream antibiotic treatments.

Abstract Natural transformation is a process where bacteria actively take up DNA from the environment and recombine it into their genome or reconvert it into extra-chromosomal genetic elements. The evolutionary benefits of transformation are still under debate. One main explanation is that foreign allele and gene uptake facilitates natural selection by increasing genetic variation, analogous to meiotic sex. However, previous experimental evolution studies comparing fitness gains of evolved transforming- and isogenic non-transforming strains have yielded mixed support for the “sex hypothesis.” Previous studies testing the sex hypothesis for natural transformation have largely ignored species interactions, which theory predicts provide conditions favourable to sex. To test for the adaptive benefits of bacterial transformation, the naturally transformable wildtype Acinetobacter baylyi and a transformation-deficient Δ comA mutant were evolved for five weeks. To provide strong and potentially fluctuating selection, A. baylyi was embedded in a community of five other bacterial species. DNA from a pool of different Acinetobacter strains was provided as a substrate for transformation. No effect of transformation ability on the fitness of evolved populations was found, with fitness increasing non-significantly in most treatments. Populations showed fitness improvement in their respective environments, with no apparent costs of adaptation to competing species. Despite the absence of fitness effects of transformation, wildtype populations evolved variable transformation frequencies that were slightly greater than their ancestor which potentially could be caused by genetic drift.