Functional plasmid analysis of ESBL-producing Escherichia coli of pandemic sequence types ST131 and ST648

Abstract

Extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing Escherichia (E.) coli occur frequently all over the world, not only in human and veterinary medicine clinical-associated contexts but also in wildlife and the environment, which are considered to be less affected by antimicrobial compounds. Specifically, international high-risk multi-drug resistant clones and lineages of ESBL- associated sequence type (ST) 131 and, to a lesser extent, 648 seem to be of importance. Their possession of ESBL- and non-resistance-factor-carrying plasmids should be more closely examined; the success of certain bacterial clones and lineages might not depend on antimicrobial resistance (AMR) alone. My thesis aimed at investigating the interaction of ESBL-plasmids with chromosomally-encoded, non-resistance features of ST131 and ST648 E. coli. This interaction is important as it might result in benefits for the bacterial host beyond those of AMR such as virulence, fitness and metabolism, yet presents no parallel fitness costs. ESBL-plasmid-carrying wild-type (WT) E. coli strains were compared to a constructed, corresponding ESBL-plasmid “cured” variant (PCV) and to a complementary ESBL-carrying transformant (T) in fitness/metabolic assays, biofilm and motility assays, and RNA sequence analysis. No differences were observed in the strains’ growth or metabolic behaviors. Some differed in biofilm and motility assays, however, exemplified by an enhanced curli and/or cellulose production and a reduced swimming capacity of WTs/Ts compared to the corresponding PCV. RNA sequencing mostly confirmed the phenotypic results on a transcriptomic level, revealing the chromosomally-encoded csgD-pathway to be a key factor. The results clearly indicate that ESBL-plasmid carriage does not necessarily lead to a fitness/metabolic disadvantage for the bacterial host. On the contrary, the results suggest that an interaction of ESBL-plasmids with the bacterial host’s chromosome in some strains, especially in terms of non-resistance-associated features, presumably contributes to the pandemic success of some isolates of ESBL-producing E. coli clones and lineages in various hosts and habitats, also beyond high antimicrobial selection pressures.

Extended-spektrum beta-Laktamase (ESBL)-bildende Escherichia (E.) coli kommen häufig weltweit nicht nur in human- und veterinärmedizinisch klinisch- assoziierten Kontexten, sondern auch in Wildtieren und der Umwelt vor. Bei letzteren wird angenommen, dass diese durch antimikrobielle Wirkstoffe weit weniger beeinflusst sind. Besonders internationale Hoch-Risiko Klone und Linien des ESBL-assoziierten Sequenztyps (ST) 131 und in geringerem Maß 648 scheinen von Bedeutung zu sein. Ihre Trägerschaft von ESBL- und nicht- Resistenzfaktoren-tragenden Plasmiden sollte genauer untersucht werden, da der Erfolg von bestimmten bakteriellen Klonen und Linien nicht allein von einer antimikrobiellen Resistenz abhängig zu sein scheint. Meine Dissertation hatte insbesondere zum Ziel, die Interaktion von ESBL-Plasmiden mit chromosomal- kodierten Nichtresistenzfaktoren von ST131 und ST648 E. coli zu untersuchen. Bei dieser Interaktion außerhalb antimikrobieller Resistenzen handelt es sich zum Beispiel um Virulenz, Fitness und Metabolismus, welche in Vorteilen für den bakteriellen Wirt resultieren und keine parallelen Fitnesskosten verursachen. Die ESBL-Plasmid-tragenden Wild-typ (WT) E. coli Stämme wurden mit einer konstruierten, korrespondierenden ESBL-Plasmid „gecurten“ Variante (PCV) und einer komplementären ESBL-tragenden Transformante (T) in Fitness/Metabolismus Assays, Biofilm- und Motilitätstests sowie in einer RNA Sequenzanalyse verglichen. Es wurden keine Unterschiede der Stämme bezüglich ihres Wachstums- oder metabolischen Verhaltens festgestellt, allerdings unterschieden sich einige in den Biofilm- und Motilitätstests, exemplifiziert durch eine erhöhte Curli und/oder Zellulose Bildung und einer reduzierten Schwimmkapazität der WTs/Ts verglichen zur korrespondierenden PCV. Die RNA Sequenzanalyse bestätigte zu großen Teilen die phänotypischen Ergebnisse auf Transkriptomebene und zeigte den chromosomal-kodierten csgD-Pfad als Schlüsselfaktor auf. Die Resultate indizieren klar, dass eine ESBL-Plasmid Trägerschaft nicht notwendigerweise zu einem Fitness/Metabolismus Nachteil für den bakteriellen Wirt führt. Im Gegenteil, bei manchen Stämmen trägt eine Interaktion von ESBL-Plasmiden mit dem Chromosom des bakteriellen Wirts, speziell bezüglich Nichtresistenz-assoziierter Faktoren, vermutlich zum pandemischen Erfolg einiger Isolate von ESBL-produzierender E. coli Klonen und Linien in unterschiedlichen Wirten und Habitaten bei, auch außerhalb eines antimikrobiellen Selektionsdrucks.