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Quantitative bacterial physiology during growth transitions and starvation
Quantitative bacterial physiology during growth transitions and starvation
Bacteria have been studied extensively for the last century, as they are easily cultivable and their relatively simple genetics, composition and regulation make them ideal candidates to study gen- eral biological questions in a minimally complex organism. While initial studies were mostly descriptive in nature, in recent decades studies on bacteria have become increasingly quantita- tive. To gain a deeper understanding of the underlying processes, researchers increasingly employ a combination of experiments and quantitative modeling, to elucidate bacterial properties such as its physiology, gene regulation or molecular mechanisms. Almost all of these quantitative studies have focused on exponentially growing bacteria. This growth state is attained when bacteria are grown for many generations in a constant environ- ment, such that they perfectly acclimatized and reach a reproducible steady state of constant growth, gene expression and compositions. While great progress was achieved studying expo- nentially growing bacteria, recent findings uncovered puzzling bacterial strategies, which have detrimental effects on growth and cannot be reconciled with the idea that bacteria are evolu- tionarily adapted to maximize exponential growth. Indeed, prolonged periods of undisturbed growth are rare in nature, and bacteria had to adapt to complex environmental changes and challenges. The understanding of growth physiology in these environments remains a grand challenge of quantitative biology and is necessary for a more complete understanding of bac- terial physiology. This thesis takes on this challenge and focusses on growth transitions and starvation of Escherichia coli. In addition, this thesis studies the host’s immune response to infections. In the first part of this thesis we use a simple kinetic model in combination with experimental growth kinetics to identify a mechanistic link between proteome overcapacities and the ability of cells to quickly adapt when nutrient conditions improve. This transient benefit, however, comes at the expense of decreasing growth in prolonged favorable conditions. Within this constraining interplay, we find that E. coli implements a solution for this trade-off that is consistent with maximization of fitness during the feast period inside the mammalian gut, the main habitat of wild-type E. col. We further extend this theory in the second part to explicitly include regulation of growth- dependent proteins, with the aim to elucidate dynamic regulation strategies. Using only qual- itative knowledge of the underlying regulatory processes and imposing the condition of flux balance, we derive a quantitative model of bacterial growth transitions independent of kinetic parameters. As validated by quantitative proteomics, the model predicts a global remodeling of the proteome that prevents channeling protein synthesis specifically into bottleneck proteins and thus slows recovery kinetics in response to nutrient shifts In the third part of this thesis we study the survival of E. coli during carbon starvation, where E. coli shows an exponential decay of viability with the rate depending on environment and genetics. We identify the exponential decay to be a consequence of the energy required by cells for maintenance. During starvation, the only source of nutrients is their release into the environment during cell death and loss of membrane integrity. Such a biomass recycling process, in which dying cells sustain the remaining viable cells, naturally leads to an exponential decay of viability. We identify this physiological state to be a well-controlled steady state, analogously to the steady-state exponential growth that revolutionized studies on growth in the mid last century, with broad implications for bacterial ecology, evolution and physiology. The last part of this work deals with the mammalian organism fighting bacterial infections in the microvasculature. We find that at the first stage of defense, the mammalian organism employs thrombosis directed by immune cells. As a result of this ”immunothrombosis”, the infected part of the microvasculature is isolated from the blood system, so that the systemic dissemination of pathogens can be prevented. In addition, bacteria are trapped inside the thrombus, suggesting a strategy of the host’s organism to capture and eliminate pathogens in targeted manner, which could be a major factor in the battle against infections., Bakterien waren im vergangenen Jahrhundert Gegenstand einer Vielzahl an Studien. Ihre anspruchlose Kultivierung, einfachen Genetik, Zusammensetzung und Regulation machen sie zu idealen Kandidaten um grundlegende biologische Fragen zu untersuchen. Anfänglich lag der Fokus vieler Studien auf der bloßen Beschreibung von Phänomenen, in den letzten Jahrzehmnten ist jedoch die quantitative Untersuchung modern geworden, wobei Wissenschaftler versuchen mit einer Kombination aus Theorie und Experimenten bakterielle Eigenschaften wie Physiologie, Genregulation oder molekulare Mechanismen auf einer grundliegenden Ebene zu verstehen. Fast alle quantitativen Studien haben sich dabei auf exponentiell wachsende Bakterien beschränkt. Dieser Wachstumszustand wird erreicht wenn sich Bakterien für viele Generationen in einer gleichbleibenden Umgebung anpassen und dabei einen reproduzierbaren Zustand von konstanter Wachstumsrate, Genexpression und Zusammensetzung erreichen. Während großer Fortschritt bei dem Verständnis exponentiell wachsender Bakterien erreicht wurde, so bleiben einige Beobachtungen rätselhaft, da es scheint als würden Bakterien Strategien implementieren die sie sich nachteilig auf das exponentielle Wachstum auswirken. Solche Strategien sind nicht mit der Idee in Einklang zu bringen, dass die Zelle evolutionär auf maximales Wachstum ausgerichtet ist. In der Tat sind in der Natur lange, ungest ̈orte Wachstumsphasen selten und Bak- terien dadurch st ̈andig neuen A ̈nderungen und Herausforderungen ausgesetzt. Die Physiologie von Bakterien in solchen Umgebungen zu verstehen ist eine der großen Herausforderungen der quantitativen Biologie, und notwendig fu ̈r ein vollst ̈andigeres Verst ̈andnis von bakterieller Phys- iologie. Diese Dissertation geht diese Herausforderung an und untersucht Wachstumsüberguange und Hungerphasen in Escherichia coli. Abschließend wird die Immunantwort von Säugetierwirten bei bakteriellen Infektionen behandelt. Im ersten Teil dieser Dissertation benutzen wir ein einfaches kinetisches Model in Kombination mit experimenteller Wachstumskinetik um einen mechanistischen Zusammenhang zwischen Proteomeüberkapazitäten und der Anpassungsfähigkeit von Zellen bei Nährstoffverbesserung zu indentifizieren. Der vorübergehende Vorteil kommt jedoch auf Kosten einer langfristigen Ver- langsamung des Wachstums. Die Lösung dieses Trade-offs durch E. coli ist konsistent mit einer Maximierung der Fitness für die begrenzte Dauer der Nährstoffpräsenz im Säugetierdarm, dem Hauptlebensraum von Wildtyp E. coli. Die Theorie zur Beschreibung der Wachstumsübergänge wird im zweiten Teil der Dissertation um die Regulierung von wachstumsabhängigen Proteinen erweitert, mit dem Ziel dynamische Regulationsstrategien zu ergründen. Mit Hilfe von qualitativen Wissens der zugrunde liegenden Regulationsmechanismen und der Annahme von Flussgleichgewicht der Metaboliten errechnen wir ein quantitatives Modell für Wachstumsübergänge das unabh ̈angig von mikroskopischen Pa- rametern ist. Wie von Proteomikexperimenten bestätigt, sagt das Modell eine globale Umgestaltung des Proteoms vorher, die verhindert dass die Proteinsynthese in einzelne Proteinengpässe geleitet wird und dadurch die Anpassungsgeschwindigkeit verringert. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich dem Überleben von E. coli bei Kohlenstoffmangel. Dort zeigt E. coli einen exponentiellen Zerfall der Lebensfähigkeit die von Umwelt und Genetik abhängt. Wir verstehen den exponentiellen Zerfall als Konsequenz aus der notwendigen Energie zum Aufrechterhalten der Lebensfähigkeit. Während des Kohlenstoffmangels ist die einzige Nährstoffquelle durch den Tod und das Aufbrechen und von Zellen gegeben. Dieser Wiederverwertungsprozess bei dem tote Zellen lebende Zellen am Leben halten führt auf natürliche Weise zu einem exponentiellen Zerfall. Wir identifizieren diesen Zerfall als einen wohl definierten, stabilen Gleichgewichtszustand analog zu dem exponentiellen Wachstum, der in der Mitte des letzten Jahrhunderts die Studien zu wachsenden Zellen revolutioniert hat, und mit breiten Auswirkungen für bakterielle Ökologie, Evolution und Physiologie. Der letzte Teil der Arbeit handelt vom Kampf des Säugetierorganismus gegen bakterielle Infektionen in der Mikrovaskulatur. Als erste Stufe der Immunverteidigung setzt der Organismus Thrombose ein, die durch Immunzellen gesteuert wird. Als Resultat dieser ”Immunothrombose” wird das infizierte Teil der Mikrovaskulatur vom Blutsystem isoliert, so dass eine systemische Verbreitung der Erreger verhindert wird. Zusätzlich werden Bakterien in die Thromben eingebaut, was nahe legt dass es die Strategie des Wirtsorganismusses ist Bakterien gezielt einzufangen und zu eliminieren, und damit einen bedeutenden Teil zum Kampf gegen Infektionen beitragen könnte.
Not available
Schink, Severin
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Schink, Severin (2017): Quantitative bacterial physiology during growth transitions and starvation. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Bacteria have been studied extensively for the last century, as they are easily cultivable and their relatively simple genetics, composition and regulation make them ideal candidates to study gen- eral biological questions in a minimally complex organism. While initial studies were mostly descriptive in nature, in recent decades studies on bacteria have become increasingly quantita- tive. To gain a deeper understanding of the underlying processes, researchers increasingly employ a combination of experiments and quantitative modeling, to elucidate bacterial properties such as its physiology, gene regulation or molecular mechanisms. Almost all of these quantitative studies have focused on exponentially growing bacteria. This growth state is attained when bacteria are grown for many generations in a constant environ- ment, such that they perfectly acclimatized and reach a reproducible steady state of constant growth, gene expression and compositions. While great progress was achieved studying expo- nentially growing bacteria, recent findings uncovered puzzling bacterial strategies, which have detrimental effects on growth and cannot be reconciled with the idea that bacteria are evolu- tionarily adapted to maximize exponential growth. Indeed, prolonged periods of undisturbed growth are rare in nature, and bacteria had to adapt to complex environmental changes and challenges. The understanding of growth physiology in these environments remains a grand challenge of quantitative biology and is necessary for a more complete understanding of bac- terial physiology. This thesis takes on this challenge and focusses on growth transitions and starvation of Escherichia coli. In addition, this thesis studies the host’s immune response to infections. In the first part of this thesis we use a simple kinetic model in combination with experimental growth kinetics to identify a mechanistic link between proteome overcapacities and the ability of cells to quickly adapt when nutrient conditions improve. This transient benefit, however, comes at the expense of decreasing growth in prolonged favorable conditions. Within this constraining interplay, we find that E. coli implements a solution for this trade-off that is consistent with maximization of fitness during the feast period inside the mammalian gut, the main habitat of wild-type E. col. We further extend this theory in the second part to explicitly include regulation of growth- dependent proteins, with the aim to elucidate dynamic regulation strategies. Using only qual- itative knowledge of the underlying regulatory processes and imposing the condition of flux balance, we derive a quantitative model of bacterial growth transitions independent of kinetic parameters. As validated by quantitative proteomics, the model predicts a global remodeling of the proteome that prevents channeling protein synthesis specifically into bottleneck proteins and thus slows recovery kinetics in response to nutrient shifts In the third part of this thesis we study the survival of E. coli during carbon starvation, where E. coli shows an exponential decay of viability with the rate depending on environment and genetics. We identify the exponential decay to be a consequence of the energy required by cells for maintenance. During starvation, the only source of nutrients is their release into the environment during cell death and loss of membrane integrity. Such a biomass recycling process, in which dying cells sustain the remaining viable cells, naturally leads to an exponential decay of viability. We identify this physiological state to be a well-controlled steady state, analogously to the steady-state exponential growth that revolutionized studies on growth in the mid last century, with broad implications for bacterial ecology, evolution and physiology. The last part of this work deals with the mammalian organism fighting bacterial infections in the microvasculature. We find that at the first stage of defense, the mammalian organism employs thrombosis directed by immune cells. As a result of this ”immunothrombosis”, the infected part of the microvasculature is isolated from the blood system, so that the systemic dissemination of pathogens can be prevented. In addition, bacteria are trapped inside the thrombus, suggesting a strategy of the host’s organism to capture and eliminate pathogens in targeted manner, which could be a major factor in the battle against infections.

Abstract

Bakterien waren im vergangenen Jahrhundert Gegenstand einer Vielzahl an Studien. Ihre anspruchlose Kultivierung, einfachen Genetik, Zusammensetzung und Regulation machen sie zu idealen Kandidaten um grundlegende biologische Fragen zu untersuchen. Anfänglich lag der Fokus vieler Studien auf der bloßen Beschreibung von Phänomenen, in den letzten Jahrzehmnten ist jedoch die quantitative Untersuchung modern geworden, wobei Wissenschaftler versuchen mit einer Kombination aus Theorie und Experimenten bakterielle Eigenschaften wie Physiologie, Genregulation oder molekulare Mechanismen auf einer grundliegenden Ebene zu verstehen. Fast alle quantitativen Studien haben sich dabei auf exponentiell wachsende Bakterien beschränkt. Dieser Wachstumszustand wird erreicht wenn sich Bakterien für viele Generationen in einer gleichbleibenden Umgebung anpassen und dabei einen reproduzierbaren Zustand von konstanter Wachstumsrate, Genexpression und Zusammensetzung erreichen. Während großer Fortschritt bei dem Verständnis exponentiell wachsender Bakterien erreicht wurde, so bleiben einige Beobachtungen rätselhaft, da es scheint als würden Bakterien Strategien implementieren die sie sich nachteilig auf das exponentielle Wachstum auswirken. Solche Strategien sind nicht mit der Idee in Einklang zu bringen, dass die Zelle evolutionär auf maximales Wachstum ausgerichtet ist. In der Tat sind in der Natur lange, ungest ̈orte Wachstumsphasen selten und Bak- terien dadurch st ̈andig neuen A ̈nderungen und Herausforderungen ausgesetzt. Die Physiologie von Bakterien in solchen Umgebungen zu verstehen ist eine der großen Herausforderungen der quantitativen Biologie, und notwendig fu ̈r ein vollst ̈andigeres Verst ̈andnis von bakterieller Phys- iologie. Diese Dissertation geht diese Herausforderung an und untersucht Wachstumsüberguange und Hungerphasen in Escherichia coli. Abschließend wird die Immunantwort von Säugetierwirten bei bakteriellen Infektionen behandelt. Im ersten Teil dieser Dissertation benutzen wir ein einfaches kinetisches Model in Kombination mit experimenteller Wachstumskinetik um einen mechanistischen Zusammenhang zwischen Proteomeüberkapazitäten und der Anpassungsfähigkeit von Zellen bei Nährstoffverbesserung zu indentifizieren. Der vorübergehende Vorteil kommt jedoch auf Kosten einer langfristigen Ver- langsamung des Wachstums. Die Lösung dieses Trade-offs durch E. coli ist konsistent mit einer Maximierung der Fitness für die begrenzte Dauer der Nährstoffpräsenz im Säugetierdarm, dem Hauptlebensraum von Wildtyp E. coli. Die Theorie zur Beschreibung der Wachstumsübergänge wird im zweiten Teil der Dissertation um die Regulierung von wachstumsabhängigen Proteinen erweitert, mit dem Ziel dynamische Regulationsstrategien zu ergründen. Mit Hilfe von qualitativen Wissens der zugrunde liegenden Regulationsmechanismen und der Annahme von Flussgleichgewicht der Metaboliten errechnen wir ein quantitatives Modell für Wachstumsübergänge das unabh ̈angig von mikroskopischen Pa- rametern ist. Wie von Proteomikexperimenten bestätigt, sagt das Modell eine globale Umgestaltung des Proteoms vorher, die verhindert dass die Proteinsynthese in einzelne Proteinengpässe geleitet wird und dadurch die Anpassungsgeschwindigkeit verringert. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich dem Überleben von E. coli bei Kohlenstoffmangel. Dort zeigt E. coli einen exponentiellen Zerfall der Lebensfähigkeit die von Umwelt und Genetik abhängt. Wir verstehen den exponentiellen Zerfall als Konsequenz aus der notwendigen Energie zum Aufrechterhalten der Lebensfähigkeit. Während des Kohlenstoffmangels ist die einzige Nährstoffquelle durch den Tod und das Aufbrechen und von Zellen gegeben. Dieser Wiederverwertungsprozess bei dem tote Zellen lebende Zellen am Leben halten führt auf natürliche Weise zu einem exponentiellen Zerfall. Wir identifizieren diesen Zerfall als einen wohl definierten, stabilen Gleichgewichtszustand analog zu dem exponentiellen Wachstum, der in der Mitte des letzten Jahrhunderts die Studien zu wachsenden Zellen revolutioniert hat, und mit breiten Auswirkungen für bakterielle Ökologie, Evolution und Physiologie. Der letzte Teil der Arbeit handelt vom Kampf des Säugetierorganismus gegen bakterielle Infektionen in der Mikrovaskulatur. Als erste Stufe der Immunverteidigung setzt der Organismus Thrombose ein, die durch Immunzellen gesteuert wird. Als Resultat dieser ”Immunothrombose” wird das infizierte Teil der Mikrovaskulatur vom Blutsystem isoliert, so dass eine systemische Verbreitung der Erreger verhindert wird. Zusätzlich werden Bakterien in die Thromben eingebaut, was nahe legt dass es die Strategie des Wirtsorganismusses ist Bakterien gezielt einzufangen und zu eliminieren, und damit einen bedeutenden Teil zum Kampf gegen Infektionen beitragen könnte.