Abstract Antibiotic resistance is a continuing global health crisis. Identifying the evolutionary trajectories leading to increased antimicrobial resistance can be critical to the discovery of biomarkers for clinical diagnostics and new targets for drug discovery. While the combination of patient data and in vitro experimental evolution has been remarkably successful in extending our understanding of antimicrobial resistance, it can be difficult for in vitro methods to recapitulate the spatial structure and consequent microenvironments that characterize in vivo infection. Notably, in cystic fibrosis (CF) patients, changes to either the PmrA/PmrB or PhoP/PhoQ two-component systems have been identified as critical drivers for high levels of colistin and polymyxin resistance. When using microfluidic emulsions to provide spatially structured, low-competition environments, we found that adaptive mutations to phoQ were more successful than pmrB in increasing colistin resistance. Conversely, mutations to pmrB were readily identified using well-mixed unstructured cultures. We found that oxygen concentration gradients within the microdroplet emulsions favored adaptive changes to the PhoP/PhoQ pathway consistent with microaerobic conditions that can be found in the lungs of CF patients. We also observed mutations linked to hallmark adaptations to the CF lung environment, such as loss of motility ( fleQ, fliC, fleS, flg, flh , and fleQ ) and loss of O antigen biosynthesis ( wbpL ). Mutation to wbpL , in addition to causing loss of O antigen, was additionally shown to confer moderately increased colistin resistance. Taken together, our data suggest that distinct evolutionary trajectories to colistin resistance may be shaped by the microaerobic partitioning and spatial separation imposed within the CF lung. Importance Antibiotic resistance remains one of the great challenges confronting public health in the world today. Individuals with compromised immune systems or underlying health conditions are often at an increased for bacterial infections. Patients with Cystic Fibrosis (CF) produce thick mucus that clogs airways and provides a very favorable environment for infection by bacteria that further decrease lung function and, ultimately, mortality. CF patients are often infected by bacteria such as Pseudomonas aeruginosa early in life and experience a series of chronic infections that, over time, become increasingly difficult to treat due to increased antibiotic resistance. Colistin is a major antibiotic used to treat CF patients. Clinical and laboratory studies have identified PmrA/PmrB and PhoP/PhoQ as responsible for increased resistance to colistin. Both have been identified in CF patient lungs, but why, in some cases, is it one and not the other? In this study, we show that distinct evolutionary trajectories to colistin resistance may be favored by the microaerobic partitioning found within the damaged CF lung.

Abstract The LiaFSR signaling pathway plays a major role in mediating daptomycin (DAP) resistance for both Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium . LiaFSR inhibition induces DAP hypersusceptibility but could also potentially delay the acquisition of DAP resistance in a combinatorial therapy of DAP with a LiaFSR inhibitor. To evaluate the potential efficacy of this approach, the adaptation to DAP by both E. faecalis and E. faecium lacking a functional LiaFSR were examined. Here, clinical isolates of E. faecium with liaR deletions were evolved to DAP resistance using in vitro experimental evolution. Genomic analysis of resistant populations was used to identify both the alleles and their relative frequencies in driving DAP resistance. Microscopic and biochemical analyses were then employed to investigate how those adaptive alleles contributed to DAP resistance. We found that deletion of liaR from the E. faecium genome significantly delayed the onset of DAP resistance. Unsurprisingly, resistance strategies emerged eventually. These alternative strategies were influenced by both environment and ancestral genome. The delay in the acquisition of DAP resistance when liaR was deleted supports the concept of developing a LiaFSR pathway inhibitor to prolong DAP efficacy against enterococci. The loss of a functional LiaFSR pathway reset the adaptive landscape and forced adaptation to progress in new ways that were slower in providing DAP tolerance. The observed adaptive trajectories were strongly influenced by both the environment and ancestral genome.

A common outcome of antibiotic exposure in patients and in vitro is the evolution of a hypermutator phenotype that enables rapid adaptation by pathogens. While hypermutation is a robust mechanism for rapid adaptation, it requires trade-offs between the adaptive mutations and the more common "hitchhiker" mutations that accumulate from the increased mutation rate. Using quantitative experimental evolution, we examined the role of hypermutation in driving adaptation of Pseudomonas aeruginosa to colistin. Metagenomic deep sequencing revealed 2,657 mutations at > 5% frequency in 1,197 genes and 761 mutations in 29 end point isolates. By combining genomic information, phylogenetic analyses, and statistical tests, we showed that evolutionary trajectories leading to resistance could be reliably discerned. In addition to known alleles such as pmrB, hypermutation allowed identification of additional adaptive alleles with epistatic relationships. Although hypermutation provided a short-term fitness benefit, it was detrimental to overall fitness. Alarmingly, a small fraction of the colistin adapted population remained colistin susceptible and escaped hypermutation. In a clinical population, such cells could play a role in re-establishing infection upon withdrawal of colistin. We present here a framework for evaluating the complex evolutionary trajectories of hypermutators that applies to both current and emerging pathogen populations.

Abstract Combination antimicrobial therapy has been considered a promising strategy to combat the evolution of antimicrobial resistance. Francisella tularensis is the causative agent of tularemia and in addition to being found in the nature, is recognized as a threat agent that requires vigilance. We investigated the evolutionary outcome of adapting the Live Vaccine Strain (LVS) of Francisella to two non-interacting drugs, ciprofloxacin and doxycycline, individually, sequentially, and in combination. Despite their individual efficacies and independence of mechanisms, evolution to the combination appeared to progress faster than evolution to the two drugs sequentially. We conducted a longitudinal mutational analysis of the populations evolving to the drug combination, genetically reconstructed the identified evolutionary pathway, and carried out biochemical validation. We discovered that, after the appearance of an initial weak generalist mutation (FupA/B), each successive mutation alternated between adaptation to one drug or the other. In combination, these mutations allowed the population to more efficiently ascend the fitness peak through a series of evolutionary switch-backs. Clonal interference, weak pleiotropy, and positive epistasis also contributed to combinatorial evolution. This finding suggests that, under some selection conditions, the use of non-interacting drug pairs as a treatment strategy may result in a more rapid ascent to multi-drug resistance and serves as a cautionary tale. Author summary The antimicrobial resistance crisis requires the use of novel treatment strategies to prevent or delay the emergence of resistance. Combinations of drugs offer one strategy to delay resistance, but the efficacy of such drug combinations depends on the evolutionary response of the organism. Using experimental evolution, we show that under some conditions, a potential drug combination does not delay the onset of resistance in bacteria responsible for causing tularemia, Francisella. In fact, they evolve resistance to the combination faster than when the two drugs are applied sequentially. This result is surprising and concerning: using this drug combination in a hospital setting could lead to simultaneous emergence of resistance to two antibiotics. Employing whole genome sequencing, we identified the molecular mechanism leading to evolution of resistance to the combination. The mechanism is similar to the switch-back route used by hikers while scaling steep mountains i.e., instead of simultaneously acquiring mutations conferring resistance to both drugs, the bacteria acquire mutations to each drug in alternating manner. Rather than scaling the steep mountain directly, the bacteria ascend the mountain by a series of evolutionary switch-backs to gain elevation and in doing so, they get to the top more efficiently.

Abstract Infections caused by vancomycin-resistant Enterococcus faecium (VREfm) are an important public health threat. VREfm have become increasingly resistant to the front-line antibiotic, daptomycin (DAP). As such, the use of DAP combination therapies (like fosfomycin [FOS]), has received increased attention. Antibiotic combinations could extend the efficacy of current available antibiotics and potentially delay the onset of further resistance. We investigated the potential for E. faecium HOU503, a clinical VREfm isolate that is DAP and FOS susceptible, to develop resistance to a DAP-FOS combination. Of particular interest was whether the genetic drivers for DAP-FOS resistance might be epistatic and, thus, potentially decrease the efficacy of a combinatorial approach in either inhibiting VREfm or in delaying the onset of resistance. We show that resistance to DAP-FOS could be achieved by independent mutations to proteins responsible for cell wall synthesis for FOS and in altering membrane dynamics for DAP. However, we did not observe genetic drivers that exhibited substantial cross-drug epistasis that could undermine DAP-FOS combination. Of interest was that FOS resistance in HOU503 was largely mediated by changes in phosphoenolpyruvate (PEP) flux as a result of mutations in pyruvate kinase ( pyk ). Increasing PEP flux could be a readily accessible mechanism for FOS resistance in many pathogens. Importantly, we show that HOU503 were able to develop DAP resistance through a variety of biochemical mechanisms and were able to employ different adaptive strategies. Finally, we showed that the addition of FOS can prolong the efficacy of DAP, significantly extending the timeline to resistance in vitro . Importance While the discovery of antibiotics was one of the greatest health care advances in history, its success is being challenged by the emergence of multidrug-resistant pathogens, including vancomycin-resistant enterococci (VRE). Daptomycin (DAP), a lipopeptide antibiotic that targets cell membrane, is currently prescribed as a frontline drug to treat VRE infections. However, emergence of daptomycin-resistant VRE is concerning. Consequently, DAP-Fosfomycin (FOS) combination (DF) has been proposed as a potential method to maintain DAP efficacy. Here, we provide evidence that DF successfully delayed the emergence of resistance in vitro . Genetic data indicates that resistance was acquired independently, with little evidence of significant cross-drug epistasis that could undermine a combinatorial approach. We also uncovered a novel FOS resistance mechanism, through changes in phosphoenolpyruvate (PEP) flux, that may potentially be shared with other bacterial species. Additionally, we also have evidence showing that E. faecium was able to employ different resistance mechanisms.