Tigecycline is one of the last-resort antibiotics to treat complicated infections caused by both multidrug-resistant Gram-negative and Gram-positive bacteria1. Tigecycline resistance has sporadically occurred in recent years, primarily due to chromosome-encoding mechanisms, such as overexpression of efflux pumps and ribosome protection2,3. Here, we report the emergence of the plasmid-mediated mobile tigecycline resistance mechanism Tet(X4) in Escherichia coli isolates from China, which is capable of degrading all tetracyclines, including tigecycline and the US FDA newly approved eravacycline. The tet(X4)-harbouring IncQ1 plasmid is highly transferable, and can be successfully mobilized and stabilized in recipient clinical and laboratory strains of Enterobacteriaceae bacteria. It is noteworthy that tet(X4)-positive E. coli strains, including isolates co-harbouring mcr-1, have been widely detected in pigs, chickens, soil and dust samples in China. In vivo murine models demonstrated that the presence of Tet(X4) led to tigecycline treatment failure. Consequently, the emergence of plasmid-mediated Tet(X4) challenges the clinical efficacy of the entire family of tetracycline antibiotics. Importantly, our study raises concern that the plasmid-mediated tigecycline resistance may further spread into various ecological niches and into clinical high-risk pathogens. Collective efforts are in urgent need to preserve the potency of these essential antibiotics. Plasmid-encoded tet(X) genes from Escherichia coli in China confer high-level tigecycline resistance.

Abstract The emergence of tet (X) genes has compromised the clinical use of the last-line antibiotic tigecycline. We identified 322 (1.21%) tet (X) positive samples from 12,829 human microbiome samples distributed in four continents (Asia, Europe, North America and South America) using retrospective data from worldwide. These tet (X) genes were dominated by tet (X2)-like orthologs but we also identified 12 samples carrying novel tet (X) genes, designed tet (X15) and tet (X16), that were resistant to tigecycline. The metagenomic analysis revealed these tet (X) genes distributed in anaerobes dominated by Bacteroidaceae (78.89%) of human-gut origin. The transmission of these tet (X2)-like orthologs between Bacteroidaceae and Riemerella anatipestifer was primarily promoted by the mobile elements IS Bf11 and IS 4351. tet (X2)-like orthologs was also developed during transmission by mutation to high-level tigecycline resistant determinants tet (X15) and tet (X16). Further tracing these tet (X) in single bacterial isolate from public repository indicated that tet (X) genes were present as early as 1960s in R. anatipestifer that was the primary tet (X) carrier at early stage (before 2000). The tet (X2) and non- tet (X2) orthologs were primarily distributed in humans and food animals respectively, and non- tet (X2) were dominated by tet (X3) and tet (X4). Genomic comparison indicated these tet (X) genes were likely to be generated during tet (X) transmission between Flavobacteriaceae and E. coli / Acinetobacter spp.., and IS CR2 played a key role in the transmission. These results suggest R. anatipestifer was the potential ancestral source of tet (X) gene. Additionally, Bacteroidaceae of human-gut origin was an important hidden reservoir and mutational incubator for the mobile tet (X) genes that enabled spread to facultative anaerobes and aerobes.

Genome editing is the basis for the modification of engineered microbes. In the process of genome editing, the design of editing sequences, such as primers and sgRNA, is very important for the accurate positioning of editing sites and efficient sequence editing. The whole process of genome editing involves multiple rounds and types of editing sequence design, while the development of related whole-workflow design tools for high-throughput experimental requirements lags. Here, we propose AutoESDCas, an online tool for the end-to-end editing sequence design for microbial genome editing based on the CRISPR/Cas system. This tool facilitates all types of genetic manipulation covering diverse experimental requirements and design scenarios, enables biologists to quickly and efficiently obtain all editing sequences needed for the entire genome editing process, and empowers high-throughput strain modification. Notably, with its off-target risk assessment function for editing sequences, the usability of the design results is significantly improved. AutoESDCas is freely available at https://autoesdcas.biodesign.ac.cn/with the source code at https://github.com/tibbdc/AutoESDCas/.

The increasing antibiotic resistance poses a significant global health challenge, threatening our ability to combat infectious diseases. The phenomenon of collateral sensitivity, whereby resistance to one antibiotic is accompanied by increased sensitivity to another, offers potential avenues for novel therapeutic interventions against infections unresponsive to classical treatments. In this study, we elucidate the emergence of tobramycin (TOB)-resistant small colony variants (SCVs) due to mutations in the hemL gene, which render S. Typhimurium more susceptible to nitrofurantoin (NIT). Mechanistic studies demonstrate that the collateral sensitivity in TOB-resistant S. Typhimurium SCVs primarily stems from disruptions in haem biosynthesis. This leads to dysfunction in the electron transport chain (ETC) and redox imbalance, ultimately inducing lethal accumulation of reactive oxygen species (ROS). Additionally, the upregulation of nfsA/B expressions facilitates the conversion of NIT prodrug into its active form, promoting ROS-mediated bacterial killing and contributing to this collateral sensitivity pattern. Importantly, alternative NIT therapy demonstrates a significant reduction of bacterial load by more than 2.24-log10 cfu/g in the murine thigh infection and colitis models. Our findings corroborate the collateral sensitivity of S. Typhimurium to nitrofurans as a consequence of evolving resistance to aminoglycosides. This provides a promising approach for treating infections due to aminoglycoside-resistant strains.