Since the first description of OXA-48, more than forty variants have been recovered from Enterobacterales isolates. Whereas some OXA-48-related enzymes have been reported as conferring similar resistance patterns, namely, the hydrolysis of carbapenems and penicillins with very weak or almost no activity against expanded-spectrum cephalosporins, some have reduced carbapenem and temocillin hydrolysis, and others hydrolyze expanded-spectrum cephalosporins and carbapenems only marginally. With such drastic differences in the hydrolytic profile, especially of carbapenems, it becomes urgent to establish hydrolytic cutoffs in order to determine when an OXA-48-like enzyme may be considered as a carbapenemase or not. With this aim, the coefficient of activity for imipenem (k_cat/K_m) was determined for a total of 30 enzymes, including OXA-48, OXA-48-like natural variants, and OXA-48 synthetic mutants. In addition, six different methods for the detection of carbapenemase-producers were performed. The coefficients of activity for imipenem for all the different enzymes went from 550 mM⁻¹·s⁻¹ to 0.02 mM⁻¹·s⁻¹. In order to match the coefficient of activity results with the biochemical confirmatory tests, we suggest the value of 0.27 mM⁻¹·s⁻¹ as the cutoff above which an OXA-48 variant may be considered a carbapenem-hydrolyzing enzyme.

Carbapenem resistance (CR) is an emerging health issue. Epidemiological surveys on carbapenem-resistant Gram-negative bacilli (CR-GNB) in Lebanon remain scarce. In this study, we determined the prevalence of CR-GNB isolated between 2015 to 2019 in three hospitals in northern Lebanon: 311 CR-Enterobacterales (out of 11210; 2.8%), 155 CR-Pseudomonas (out of 1034; 15%) and 106 CR- Acinetobacter (out of 184; 57.6%) were identified. CR mechanisms were determined for 146 randomly chosen isolates: the Carba NP test revealed an enzymatic resistance to carbapenems in 109 isolates (out of 146, 74.7%). Produced carbapenemases were evaluated by the NG-Test Carba5, NG-Test OXA-23 immunochromatographic assays and PCR. Carbapenemase-producing (CP) Enterobacterales expressed bla_OXA-48-like, bla_NDM-like and bla_VIM-like genes and CP-Pseudomonas expressed bla_IMP-like and bla_VIM-like genes, whereas CP-Acinetobacter expressed bla_OXA-23-like genes. The NG-Test Carba5 results were confirmed by PCR sequencing and revealed several variants, such as NDM-19, VIM-62 and OXA-162, never described so far in Lebanon. Isolates with discordant results were sequenced by WGS and highlighted novel variants of the natural oxacillinases of Pseudomonas aeruginosa: bla_OXA-50-like genes. Their role in carbapenem resistance should be further studied. Overall, our findings highlight an alarming situation and encourage health care centers to establish performant registration systems that could help in limiting resistance spread.

Interactions among beneficial mutations (i.e., epistasis) are often strong enough as to direct adaptation through alternative mutational paths. While alternative solutions should display similar fitness under the primary selective conditions, their properties across secondary environments may differ widely. The extent to which these cryptic differences are to be expected is largely unknown, despite their fundamental and practical importance, such as in the search for exploitable collateral sensitivities among antibiotic resistance mutations. Here we use directed evolution to characterize the diversity of mutational paths through which the prevalent carbapenemase KPC-2 can evolve high activity against the clinically-relevant antibiotic ceftazidime, an initially poor substrate. We identified 40 different substitutions, including many common clinical settings, spread along 18 different mutational trajectories. Initial mutations determined four major groups into which the trajectories can be classified, a signature of strong epistasis. Of note, despite minor variation in final ceftazidime resistance, groups diverged markedly across multiple phenotypic dimensions, from molecular traits such as stability and hydrolitic efficiency to macroscopic traits such as growth rate and activity against other β-lactam antibiotics. Our results indicate that cryptic yet consequential phenotypic differences can readily accumulate under strong selective pressures, bearing implications for efforts to prevent unwanted evolution in microbes.

Etude structurale et fonctionnelle de la spécificité de substrat des carbapénèmases de type OXA-48: Les b-lactamines, grâce à leur efficacité clinique, sont parmi les antibiotiques les plus prescrits pour traiter des infections bactériennes. Cependant, leur utilité est compromise par la prolifération des b-lactamases (BLs) avec des profils d’hydrolyse de substrats très larges. La résistance induite par les BLs compromet également les b-lactamines les plus puissantes (c-à-d les carbapénèmes). OXA-48, une carbapénèmase de classe D (CHDL), a été initialement identifiée dans une souche de K. pneumoniae de Turquie en 2001. OXA-48 hydrolysent fortement les pénicillines, faiblement les carbapénèmes, et quasiment pas les céphalosporines de troisième génération (C3G). Cependant certains variants comme OXA-163 ou OXA-405 hydrolysent les C3G et pas les carbapénèmes. La comparaison de la structure tri-dimensionnelle d’OXA-48 avec d’autres CHDLs a révélé de petites différences principalement localisées dans les boucles qui relient des éléments de structure. Notamment, la boucle localisée entre les feuillets b5 et b6 semble jouer un rôle majeur dans l’hydrolyse des carbapénèmes.Afin de mieux comprendre la contribution de la boucle b5-b6 dans l’hydrolyse des carbapénèmes, nous avons étudié, grâce à des outils biochimiques et structuraux, des variants naturels ou synthétiques d’OXA-48 présentant des modifications dans la boucle: le rôle du remplacement de chaque AA de la boucle par une alanine, des délétions croissantes ou de l’augmentation de la taille de la boucle. Nous avons également réalisé l’échange de boucle entre OXA-48 et OXA-18, une oxacillinase inhibée par l’acide clavulanique et hydrolysant fortement les C3G mais pas les carbapénèmes. La protéine recombinante OXA-48loop18 hydrolysait les C3G, et conservait une activité significative d’hydrolyse des carbapénèmes. L’échange de boucle a permis l’élargissement du site actif, permettant l’accès à des b-lactamines possédant un radical volumineux (e.g. ceftazidime). De plus, le remplacement de chaque AA de la boucle par une alanine a relevé de faibles changements hydrolytiques. En réalisant des délétions croissantes d’AA soit en partant de la gauche de la boucle (Tyr-211 vers Pro-217) ou de la droite (Pro-217 vers Tyr-211), nous avons montré que l’activité d’hydrolyse des carbapénèmes diminuait avec la taille des délétions, alors que celle des C3G augmentait. Les délétions de 4 AA présentent les plus fortes activités hydrolytiques des C3G et une perte totale de l’activité carbapénèmase, excepté pour le simple mutant, OXA-48∆P217, qui présentait un profile d’hydrolyse avec une forte activité carbapénèmase et C3G. La cristallographie et la modélisation moléculaire ont montré une grande flexibilité de la boucle, permettant l’entrée de b-lactamines de tailles variables. De plus, l’étude de nouveaux variants d’OXA-48 a permis d’identifier des déterminants structuraux importants dans le profil d’hydrolyse observé. Ainsi, la délétion I215-E216 associée à la substitution R214K dans la boucle b5-b6 de OXA-517 permet une forte hydrolyse des carbapénèmes et des C3G. De même, dans OXA-519, une substitution V120L située à proximité de la boucle b5-b6, a pour conséquence une diminution de l’affinité pour tous les substrats. La chaine latérale plus encombrante de la L120 empêche l’insertion des b-lactamines, diminuant l’affinité de l’enzyme. Finalement, nous avons caractérisé OXA-535, la b-lactamase naturelle et chromosomique de Shewanella bicestrii JAB-1 qui, n’ayant uniquement 91,5% d’identité en AA avec OXA-48, présente le même profil d’hydrolyse. OXA-535 présentait 98.9% d’identité en AA avec OXA-436, codé par un gène plasmidique, suggérant ainsi que S. bicestrii portant le gène blaOXA-535 pourrait être le progéniteur du gène plasmidique blaOXA-436.Nos travaux ont montré le formidable pouvoir d’adaptation de OXA-48 à évoluer par mutation afin d’accommoder différents substrats, et comment la nature et la longueur de la boucle b5-b6 pouvait influencer sur la spécificité de substrat.