Abstract Antibiotic resistance often generates a fitness cost to bacteria in drug-free environments. Understanding the causes of the cost is considered the Holy Grail in the antibiotic resistance field, as it is the main determinant of the prevalence of resistances upon reducing antibiotics use. We show that DNA breaks can explain most of the variation in the cost of resistances common in pathogens. Here we demonstrate that targeting the RNase that degrades R-loops, which cause DNA breaks, exacerbates the cost of resistance. Consequently, lack of RNase HI function drives resistant clones to extinction in populations with high initial frequency of resistance, both in laboratory conditions and in a mouse model of gut colonization. Thus, RNase HI provides a target specific against resistant bacteria, which we validate using a repurposed drug. In summary, we revealed key mechanisms underlying the cost of antibiotic resistance that can be exploited to specifically eliminate resistant bacteria.

Bacterial cooperation can be disrupted by non-producers, which can profit from public goods without paying their production cost. A cheater can increase in frequency, exhausting the public good and causing a population collapse. Here we investigate how interactions among two cheaters for distinct social traits influence the short and long-term dynamics of polymorphic populations. Using as a model Pseudomonas aeruginosa and its extensively studied social traits, production of the siderophore pyoverdine and the quorum sensing regulated elastase, we analyzed the social dynamics of polymorphic populations under conditions where the two traits are required for optimal growth. We show that cheaters for either trait compete with both the wild type and each other, and that mutants for pyoverdine production can prevent a drastic population collapse caused by quorum sensing cheaters. A simple mathematical model suggests that the observed social dynamics are determined by the ratio of the costs of each social trait, such that the mutant which avoids paying the highest cost dominates the population. Finally, we demonstrate how quorum sensing regulation can avoid the full loss of cooperation.