Significance The global burden of antibiotic resistance has created a demand to better understand the basic mechanisms of existing antibiotics. Of significant interest is how antibiotics may perturb bacterial metabolism, and how bacterial metabolism may influence antibiotic activity. Here, we study the interaction of bacteriostatic and bactericidal antibiotics, the two major phenotypic drug classes. Interestingly, the two classes differentially perturb bacterial cellular respiration, with major consequences for their intrinsic activity both alone and in combination. Of note, bacteriostatic antibiotics decelerate cellular respiration, generating a metabolic state that is prohibitive to killing. Further, we show that the efficacy of bactericidal drugs can be improved by increasing basal respiration, and we identify a respiration-related drug target that potentiates the activity of bactericidal antibiotics.

Regardless of their targets and modes of action, subinhibitory concentrations of antibiotics can have an impact on cell physiology and trigger a large variety of cellular responses in different bacterial species. Subinhibitory concentrations of β-lactam antibiotics cause reactive oxygen species production and induce PolIV-dependent mutagenesis in Escherichia coli. Here we show that subinhibitory concentrations of β-lactam antibiotics induce the RpoS regulon. RpoS-regulon induction is required for PolIV-dependent mutagenesis because it diminishes the control of DNA-replication fidelity by depleting MutS in E. coli, Vibrio cholerae and Pseudomonas aeruginosa. We also show that in E. coli, the reduction in mismatch-repair activity is mediated by SdsR, the RpoS-controlled small RNA. In summary, we show that mutagenesis induced by subinhibitory concentrations of antibiotics is a genetically controlled process. Because this mutagenesis can generate mutations conferring antibiotic resistance, it should be taken into consideration for the development of more efficient antimicrobial therapeutic strategies. Sub-lethal concentrations of antibiotics are known to promote mutagenesis of bacterial DNA. Here the authors show that β-lactam antibiotics trigger mutagenesis by upregulating the stress-response protein RpoS, which downregulates mismatch-repair activity.

Evolution is often an obstacle to the engineering of stable biological systems due to the selection of mutations inactivating costly gene circuits. Gene overlaps induce important constraints on sequences and their evolution. We show that these constraints can be harnessed to increase the stability of synthetic circuits by purging loss-of-function mutations. We combine computational and synthetic biology approaches to rationally design an overlapping reading frame expressing an essential gene within an existing gene to protect. Our algorithm succeeded in creating overlapping reading frames in 80% of E. coli genes. Experimentally, scoring mutations in both genes of such overlapping construct, we found that a significant fraction of mutations impacting the gene to protect have a deleterious effect on the essential gene. Such an overlap thus protects a costly gene from removal by natural selection by associating the benefit of this removal with a larger or even lethal cost. In our synthetic constructs, the overlap converts many of the possible mutants into evolutionary dead-ends, effectively changing the fitness landscape and reducing the evolutionary potential of the system.