The analysis of catheter biofilms (CBs) from patients with neurogenic bladder disorders revealed persistent colonization by polymicrobial communities. The recurrence of bacterial species in the CBs of sequentially replaced catheters suggests urothelial reservoirs responsible for recolonization of the catheter surface. Proteomic data for CB samples were indicative of chronic inflammation in the patients' urinary tracts via neutrophil and eosinophil infiltration and epithelial cell exfoliation. These host defense pathways, effective in killing pathogens during uncomplicated urinary tract infection, failed to eliminate CBs. Intermittent antibiotic drug treatment had different outcomes: either replacement of drug-susceptible by drug-tolerant bacteria or transient microbial biomass reduction followed by resurgence of the previously colonizing bacteria. Proteins that sequester iron and zinc such as lactotransferrin, lipocalin-2 and calprotectin were abundant in the patient's CBs and urine sediments. Indicative of a host-pathogen battle for bivalent metal ions, acquisition and transport systems for such ions were highly expressed by many organisms residing in CBs. Species part of the Enterococcaceae and Aerococcaceae families, generally not well-characterized in their ability to synthesize siderophores, frequently cohabitated biofilms dominated by siderophore-producing Enterobacteriaceae. In support of metal acquisition cooperativity, we noticed positive abundance correlations for a Proteus mirabilis yersiniabactin-type siderophore system and two Enterococcus faecalis ABC transporters. Distinct bacterial strains highly expressed known or putative cytotoxins that appeared to compromise the survival of co-resident bacteria, e.g. a P. mirabilis hemolysin and Pseudomonas aeruginosa type 6 secretion and pyoverdin biosynthesis systems. In conclusion, there is support for cooperative and competitive behaviors among bacteria cohabitating CBs.

Polymicrobial biofilms that form on indwelling urethral catheters used by neurogenic bladder patients are known to recur following catheter replacements. Uropathogens dominate in catheter biofilms (CBs), grow and disperse as multi-cellular aggregates. Their microbial complexity, the characteristics of host immune responses and the molecular crosstalk in this ecosystem are incompletely understood. By surveying eight patients over up to six months with meta-omics analysis methods, we shed new light on the longitudinal microbial dynamics in CBs and the microbial-host crosstalk. There was evidence of chronic innate immune responses in all patients. Pathogens dominated the microbial contents. Proteus mirabilis often out-competed other species in cases of salt encrustation of catheters. The examination of proteomes in CBs and associated urinary pellets revealed many abundant bacterial systems for transition metal ion (TMI) acquisition. TMIs are sequestered by effector proteins released by activated neutrophils and urothelial cells, such as lactotransferrin and calgranulins, which were abundant in the host proteomes. We identified positive quantitative correlations among systems responsible for siderophore biosynthesis, TMI/siderophore uptake and TMI cellular import in bacterial species, suggesting competition for TMIs to support their metabolism and growth in CBs. Enterococcus faecalis was prevalent as a cohabitant of CBs and expressed three lipoproteins with apparent TMI acquisition functions. Fastidious anaerobic bacteria such as Veillonella, Actinobaculum, and Bifidobacterium grew in CB communities that appeared to be oxygen starved. Finally, antibiotic drug treatments were shown to influence microbial composition of CBs but failed to prevent re-colonization of urethral catheters with persisting and/or drug-resistant newly emerging pathogens.

ABSTRACT The surface coat of Toxoplasma gondii possesses a lectin-like activity that activates host complement. Serum resistance relies on specific recruitment of host regulators Factor H (FH) and C4BP to the parasite surface to inactivate bound C3 and evade the complement system. TgSRS57 (TgSAG3) was previously reported to possess a lectin-like activity specific for sulfated proteoglycans (SPGs) that facilitated host cell attachment and parasite invasion. To investigate whether TgSRS57 actively recruits Factor H to the parasite surface to regulate the complement cascade, we generated Type I RH and Type II CZ1 knockout strains. Δ srs57 parasites showed a reduction in both C3 deposition and FH recruitment indicating that TgSRS57 is a C3 acceptor and regulates complement activation. However, Δ srs57 parasites showed no attachment defect, possessed normal extracellular survival and intracellular replication kinetics, and were more virulent than WT strains in low dose murine infections, contrary to previous findings. To better understand the genetic and cellular data, we determined the 1.59Å resolution TgSRS57 crystal structure. Notably, TgSRS57 did not possess a dimer dependent basic surface groove as originally modeled, nor did it bind heparin. However, approximately 10 distinct parasite proteins were identified that interact specifically with SPGs. Infection studies showed that Type II Δ srs57 parasites achieved higher parasite burdens and elevated inflammatory responses compared to WT parasites. Infection of C3 deficient mice established that TgSRS57-dependent protection was C3-dependent and that T. gondii actively parasitizes the complement system. Our results suggest that the interaction between TgSRS57 and C3 plays a critical role in disease tolerance by controlling both parasite proliferation and persistence in vivo . AUTHOR SUMMARY The Toxoplasma gondii surface coat is dominated by a superfamily of developmentally expressed, antigenically distinct adhesins collectively called the SRS proteins, which are structurally analogous to the Plasmodium 6-CYS surface proteins. These proteins are thought to possess lectin-like activities, facilitate parasite attachment and entry into host cells, and regulate innate effectors of the host immune response. Disease tolerance in hosts is critically dependent on the induction of sufficient immunity to limit parasite replication and promote host survival without inducing bystander immune damage. In this study we employed a combination of genetic, cellular and structural biology approaches to establish that the surface antigen TgSRS57 regulates complement C3 deposition on parasite surfaces by specifically recruiting host Factor H to actively resist serum killing and limit the formation of the C5b-9 membrane attack complex. Further, that the presence of C3 was host protective, as C3-deficient mice failed to control parasite replication. The ability of the parasites to inactivate C3 was also necessary to resist serum killing and promote chronic infection. Because complement exists as a potent inflammatory mediator, the active regulation of complement by Toxoplasma ensures that the parasite is not lysed by C3 but also limits the induction of lethal immunopathology, thereby promoting an immune balance, disease tolerance, and the long-term persistence of transmissible parasites.