Bacteria can rapidly evolve resistance to antibiotics via the SOS response, a state of high-activity DNA repair and mutagenesis. We explore here the first steps of this evolution in the bacterium Escherichia coli. Induction of the SOS response by the genotoxic antibiotic ciprofloxacin changes the E. coli rod shape into multichromosome-containing filaments. We show that at subminimal inhibitory concentrations of ciprofloxacin the bacterial filament divides asymmetrically repeatedly at the tip. Chromosome-containing buds are made that, if resistant, propagate nonfilamenting progeny with enhanced resistance to ciprofloxacin as the parent filament dies. We propose that the multinucleated filament creates an environmental niche where evolution can proceed via generation of improved mutant chromosomes due to the mutagenic SOS response and possible recombination of the new alleles between chromosomes. Our data provide a better understanding of the processes underlying the origin of resistance at the single-cell level and suggest an analogous role to the eukaryotic aneuploidy condition in cancer.

Abstract Integrons are adaptive bacterial devices that rearrange promoter less gene cassettes into variable ordered arrays under stress conditions, to sample combinatorial phenotypic diversity. Chromosomal integrons often carry hundreds of silent gene cassettes, with integrase-mediated recombination leading to rampant DNA excision and integration, posing a potential threat to genome integrity. How this activity is regulated and controlled, particularly through selective pressures, to maintain such large cassette arrays is unknown. Here we show a key role of promoter-containing toxin–antitoxin (TA) cassettes as abortive systems that kill the cell when the overall cassette excision rate is too high. These results highlight the importance of TA cassettes regulating the cassette recombination dynamics and provide insight into the evolution and success of integrons in bacterial genomes. Teaser The accumulation of cassette functions in integrons is ensured by toxin–antitoxin systems which kill the cell when the cassette excision rate is too high.

Integrons are genetic systems that accelerate bacterial adaptation by acquiring and shuffling gene cassettes. Mobile integrons spread antibiotic resistance genes among bacteria, while the sedentary chromosomal integrons contain up to hundreds of cassettes of unknown function. Here, we show that many of these cassettes encode anti-phage defence systems. We found numerous streamlined variants of known systems, which have presumably evolved to fit the small size constraints of integron cassettes recombination and genesis. Intrigued by the rarity of known systems in the sedentary chromosomal integron of the Vibrio cholerae 7th cholera pandemic strain, we tested the presence of anti-phage functions in all its cassettes of unknown function. We found that at least 16 of the strain cassettes have an anti-phage activity in V. cholerae or E. coli. This represents 18% of the tested cassettes and almost 10% of all the integron cassettes, providing at long last a key adaptive role for a significant fraction of the sedentary integrons. Most of the newly discovered systems have little or no similarity to previously known ones and our experiments show that several mediate defence through cell lysis or growth arrest. One of these systems encodes a 64 amino acids protein, which represents the smallest known protein providing autonomous phage resistance. Given the thousands of uncharacterized integron cassette families, integrons could represent an untapped treasure trove of streamlined anti-phage systems.

Antibiotics can induce mutations that cause antibiotic resistance. Yet, despite their importance, mechanisms of antibiotic-promoted mutagenesis remain elusive. We report that the fluoroquinolone antibiotic ciprofloxacin (cipro) induces mutations that cause drug resistance by triggering differentiation of a mutant-generating cell subpopulation, using reactive oxygen species (ROS) to signal the sigma-S (σS) general-stress response. Cipro-generated DNA breaks activate the SOS DNA-damage response and error-prone DNA polymerases in all cells. However, mutagenesis is restricted to a cell subpopulation in which electron transfer and SOS induce ROS, which activate the σS response, allowing mutagenesis during DNA-break repair. When sorted, this small σS-response-'on' subpopulation produces most antibiotic cross-resistant mutants. An FDA-approved drug prevents σS induction specifically inhibiting antibiotic-promoted mutagenesis. Furthermore, SOS-inhibited cell division, causing multi-chromosome cells, is required for mutagenesis. The data support a model in which within-cell chromosome cooperation together with development of a 'gambler' cell subpopulation promote resistance evolution without risking most cells.

Abstract Given the emergence of antimicrobial drug resistance, it is critical to understand the heterogeneity of response to an antibiotic within a population of cells. Since the drug can exert a selection pressure that leads to the emergence of resistant phenotypes. To date, neither bulk nor single-cell methods are able to link the heterogeneity of single-cell susceptibility to the population-scale response to antibiotics. Here we present a platform that measures the ability of individual E. coli cells to form small colonies at different ciprofloxacin concentrations, by using anchored microfluidic drops and an image and data analysis pipelines. The microfluidic results are benchmarked against classical microbiology measurements of antibiotic susceptibility, showing an agreement between the pooled microfluidic chip and replated bulk measurements. Further, the experimental likelihood of a single cell to form a colony is used to provide a probabilistic antibiotic susceptibility curve. In addition to the probabilistic viewpoint, the microfluidic format enables the characterization of morphological features over time for a large number of individual cells. This pipeline can be used to compare the response of different bacterial strains to antibiotics with different action mechanisms.