The Mycobacterium bovis Bacille Calmette Guerin (BCG) vaccine shows variable efficacy in protection against adult tuberculosis (TB). Earlier, we have described a BCG mutant vaccine with a transposon insertion in the gene coding for the secreted acid phosphatase SapM, which led to enhanced long-term survival of vaccinated mice challenged with TB infection. To facilitate development of this mutation as part of a future improved live attenuated TB vaccine, we have now characterized the genome and transcriptome of this sapM::Tn mutant versus parental BCG Pasteur. Furthermore, we show that the sapM::Tn mutant had an equal low pathogenicity as WT BCG upon intravenous administration to immunocompromised SCID mice, passing this important safety test. Subsequently, we investigated the clearance of this improved vaccine strain following vaccination and found a more effective innate immune control over the sapM::Tn vaccine bacteria as compared to WT BCG. This leads to a fast contraction of IFNγ producing Th1 and Tc1 cells after sapM::Tn BCG vaccination. These findings corroborate that a live attenuated vaccine that affords improved long-term survival upon TB infection can be obtained by a mutation that further attenuates BCG. These findings suggest that an analysis of the effectiveness of innate immune control of the vaccine bacteria could be instructive also for other live attenuated TB vaccines that are currently under development, and encourage further studies of SapM mutation as a strategy in developing a more protective live attenuated TB vaccine.

Mutant resources are essential to improve our understanding of the biology of slow-growing mycobacteria, which include the causative agents of tuberculosis in various species, including humans. The generation of deletion mutants in slow-growing mycobacteria in a gene-by-gene approach in order to make genome-wide ordered mutant resources is still a laborious and costly approach; despite the recent development of improved methods. On the other hand, transposon mutagenesis in combination with Cartesian Pooling-Coordinate Sequencing allows the creation of large archived Mycobacterium transposon insertion libraries. However, such mutants contain selection marker genes with a risk of polar gene effects, which is undesired both for research and for use of these mutants as live attenuated vaccines. In this paper, a derivative of the Himar1 transposon is described, which allows the generation of clean, markerless knockouts from archived transposon libraries. By incorporating FRT sites for FlpE/FRT-mediated recombination and I-SceI sites for ISceIM-based transposon removal, we enable two thoroughly experimentally validated possibilities to create unmarked mutants from such marked transposon mutants. The FRT approach is highly efficient but leaves an FRT scar in the genome, whereas the I-SceI mediated approach can create mutants without any heterologous DNA in the genome. The combined use of CP-CSeq and this optimized transposon was applied in the BCG Danish 1331 vaccine strain (WHO reference 07/270), creating the largest ordered, characterized resource of mutants in a member of the M. tb complex (18,432 clones, mutating 83% of the non-essential M. tb homologues), from which clean knockouts can be generated.

Mycobacterium bovis bacillus Calmette-Guerin (M. bovis BCG) is the only vaccine available against tuberculosis (TB). This study reports on an integrated genome analysis workflow for BCG, resulting in the completely assembled genome sequence of BCG Danish 1331 (07/270), one of the WHO reference strains for BCG vaccines. We demonstrate how this analysis workflow enables the resolution of genome duplications and of the genome of engineered derivatives of this vaccine strain.

Synopsis Background The major global health threat tuberculosis is caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Mtb has a complex cell envelope – a partially covalently linked composite of polysaccharides, peptidoglycan and lipids, including a mycolic acid layer – which conveys pathogenicity but also protects against antibiotics. Given previous successes in treating gram-positive and -negative infections with cell wall degrading enzymes, we investigated such approach for Mtb. Objectives (i) Development of an Mtb microtiter growth inhibition assay that allows undisturbed cell envelope formation, to overcome the invalidation of results by typical clumped Mtb-growth in surfactant-free assays. (ii) Exploring anti-Mtb potency of cell wall layer-degrading enzymes. (iii) Investigation of the concerted action of several such enzymes. Methods We inserted a bacterial luciferase-operon in an auxotrophic Mtb strain to develop a microtiter assay that allows proper evaluation of cell wall degrading anti-Mtb enzymes. We assessed growth-inhibition by enzymes (recombinant mycobacteriophage mycolic acid esterase (LysB), fungal α-amylase and human and chicken egg white lysozymes) and combinations thereof, in presence or absence of biopharmaceutically acceptable surfactant. Results Our biosafety level-2 assay identified both LysB and lysozymes as potent Mtb-inhibitors, but only in presence of surfactant. Moreover, most potent disruption of the mycolic acid hydrophobic barrier was obtained by the highly synergistic combination of LysB, α-amylase and polysorbate 80. Conclusions Synergistically acting cell wall degrading enzymes are potently inhibiting Mtb – which sets the scene for the design of specifically tailored antimycobacterial (fusion) enzymes. Airway delivery of protein therapeutics has already been established and should be studied in animal models for active TB.