Genetic characterization of bacteriophage evolution with multidrug-resistant Escherichia coli

Abstract

Multidrug-resistant (MDR) bacteria are one of the major threats to global public health. MDR Escherichia coli (EC), especially carbapenem-resisters are one of the most urgent threats causing serious infections, necessitating novel treatment strategies. Bacteriophages (phages), viruses that can kill bacteria, are being explored as an alternative to combat MDR bacterial infections. However, phage resistance and limited host range are challenges. This study conducted a short-term lab experiment to evolve phages targeting multidrug-resistant E. coli. A cocktail of four phages was co-cultured with two sets of 11 E. coli strains each for 30 rounds, with the goal of broadening host range and understanding the underlying genetic mechanisms. Set-1 included phage-resistant mutant EC strains (ΦR-Mut), while set-2 included naturally phage-resistant EC strains (Nat-ΦR). After 30 rounds, two evolved phages (EC_7.1Φ and EC_9.1Φ) were isolated from set-1, showing recombination events and mutations affecting tail structures proteins, suggesting their potential contribution to the phages' re-adaptation to the ΦR-Mut strains. In set-2, three phages (EC_6.2Φ, EC_8.2Φ, and EC_11Φ) were obtained. EC_6.2Φ had insufficient titer for further analysis, while EC_8.2Φ and EC_11Φ were nearly genetically identical. EC_8.2Φ displayed genetic dissimilarity to the four original/parent phages but exhibited DNA homology with prophage regions of a Nat-ΦR strain (EC_5.2). These findings suggest that phages evolve more rapidly to counteradapt against hosts that were previously sensitive to the phage, and prophages from bacterial genomes can "jump" to infect other bacterial strains. This research offers potential for developing phages capable of countering phage-resistant mutants and inducing prophages from bacterial genomes, potentially expanding their host range for more effective phage applications. 다제내성균은 국제 공중보건에 대한 주요 위협 중 하나이다. 특히 카바페넴 내성 Escherichia coli (EC)는 심각한 감염을 유발하여 혁신적인 치료 전략이 필요한 가장 긴급한 위협 중 하나이다. 세균를 죽일 수 있는 바이러스인 박테리오파지(파지)는 다제내성균 감염에 대응하기 위한 대안으로 연구되고 있다. 그러나 세균의 파지 내성 획득과 파지의 제한된 숙주 감염 범위는 극복해야 할 요인이다. 본 연구에서 다제내성 EC를 표적으로 하는 파지를 진화시키기 위해 단기 실험을 수행하였다. 숙주 감염 범위를 넓히고 관련된 유전적 메커니즘을 이해하기 위한 목적으로 4개의 파지로 구성된 칵테일과 11종의 EC 균주로 구성된 2세트의 균주를 각각 30회 동안 공동 배양하였다. 세트 1은 파지 내성 변이체 EC 균주(ΦR-Mut)를 포함하였고, 세트 2는 자연적으로 파지 내성을 갖는 EC 균주(Nat ΦR)를 포함하였다. 30회의 선택 과정 후, 세트 1에서는 ΦR-Mut 균주를 감염할 수 있는 두 개의 진화된 파지(EC_7.1Φ 및 EC_9.1Φ)가 분리되었다. 이들은 꼬리 구조 단백질 유전자에 유전자 재조합 및 돌연변이를 나타내었다. 이러한 변화가 파지가 ΦR-Mut 균주에 재적응하는 데 잠재적으로 기여할 수 있음을 시사한다. 세트 2에서는 Nat-ΦR 균주를 감염할 수 있는 세 개의 파지(EC_6.2Φ, EC_8.2Φ 및 EC_11Φ)를 얻었다. EC_6.2Φ는 추가 분석을 위한 충분한 정보를 얻지 못했지만, EC_8.2Φ와 EC_11Φ는 거의 유전적으로 동일했다. EC_8.2Φ는 4개의 원래 파지와 유전적으로 다른 특징을 나타냈지만, 하나의 Nat-ΦR 균주(EC_5.2)의 프로파지 유전자와 상동성을 나타냈다. 이러한 결과는 파지가 이전에 파지에 민감했던 숙주에 대항하기 위해 더 빠르게 진화한다는 것을 시사하며, 세균 유전체의 프로파지가 다른 균주에 감염하기 위해 "점프"할 수 있음을 제안한다. 본 연구는 세균의 파지 내성 변이에 대응할 수 있는 파지를 개발하고 세균 유전체의 프로파지를 유도하여 더 효과적인 파지 적용 위한 숙주 감염 범위를 확장하는 잠재력을 제공한다.