Bacterial traits that contribute to disease are termed 'virulence factors' and there is much interest in therapeutic approaches that disrupt such traits. However, ecological theory predicts disease severity to be multifactorial and context dependent, which might complicate our efforts to identify the most generally important virulence factors. Here, we use meta-analysis to quantify disease outcomes associated with one well-studied virulence factor - pyoverdine, an iron-scavenging compound secreted by the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa. Consistent with ecological theory, we found that the effect of pyoverdine, albeit frequently contributing to disease, varied considerably across infection models. In many cases its effect was relatively minor, suggesting that pyoverdine is rarely essential for infections. Our work demonstrates the utility of meta-analysis as a tool to quantify variation and overall effects of purported virulence factors across different infection models. This standardised approach will help us to evaluate promising targets for anti-virulence approaches.

How unicellular organisms optimize the production of compounds is a fundamental biological question. While it is typically thought that production is optimized at the individual-cell level, secreted compounds could also allow for optimization at the group level, leading to a division of labor where a subset of cells produces and shares the compound with everyone. Using mathematical modelling, we show that the evolution of such division of labor depends on the cost function of compound production. Specifically, for any trait with saturating benefits, linear costs promote the evolution of uniform production levels across cells. Conversely, production costs that diminish with higher output levels favor the evolution of specialization - especially when compound shareability is high. When experimentally testing these predictions with pyoverdine, a secreted iron-scavenging compound produced by Pseudomonas aeruginosa, we found linear costs and, consistent with our model, detected uniform pyoverdine production levels across cells. We conclude that for shared compounds with saturating benefits, the evolution of division of labor is facilitated by a diminishing cost function. More generally, we note that shifts in the level of selection from individuals to groups do not solely require cooperation, but critically depend on mechanistic factors, including the distribution of compound synthesis costs.

Given the rise of bacterial resistance against antibiotics, we urgently need alternative strategies to fight infections. Some propose we should disarm rather than kill bacteria, through targeted disruption of their virulence factors. It is assumed that this approach (i) induces weak selection for resistance because it should only minimally impact bacterial fitness, and (ii) is specific, only interfering with the virulence factor in question. Given that pathogenicity emerges from complex interactions between pathogens, hosts, and their environment, such assumptions may be unrealistic. To address this issue in a test case, we conducted experiments with the opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa, where we manipulated the availability of a virulence factor, the iron-scavenging pyoverdine, within the insect host Galleria mellonella. We observed that pyoverdine availability was not stringently predictive of virulence, and affected bacterial fitness in non-linear ways. We show that this complexity could partly arise because pyoverdine availability affects host responses and alters the expression of regulatorily linked virulence factors. Our results reveal that virulence-factor manipulation feeds back on pathogen and host behavior, which in turn affects virulence. Our findings highlight that realizing effective and evolutionarily robust anti-virulence therapies will ultimately require deeper engagement with the intrinsic complexity of host-pathogen systems.