On noise and single-cell expression dynamics in toxin-driven bacterial competition

Götz, Alexandra (2020): On noise and single-cell expression dynamics in toxin-driven bacterial competition = Über den Zusammenhang zwischen stochastischer Einzelzell-Toxinproduktionsdynamik und bakteriellem Populationsfortbestand. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Complex microbial communities are composed of a multitude of bacterial strains that interact with each other in many different ways. Stability of such systems is crucial for their long-term survival, especially in fluctuating environments. It is still largely unknown what factors influence bacterial interaction dynamics and how they affect bacterial competition. But, the interaction of strains can be driven by the production of toxins or public goods. Therefore, it is crucial to get further insight into the gene expression dynamics of these compounds in order to understand the development of such complex ecosystems. Factors affecting bacterial competition such as the timing of release of interacting components and the amount being released into the environment have to be studied in order to determine their influence on competition outcome. Additionally, it is unknown how noise in gene expression dynamics of interacting compounds and the resulting release distributions influence bacterial competition. In this study, the plasmid encoded toxin producing ColicinE2 system of the well-known organism Escherichia coli was used as a model system. Bacterial interactions involving this strain are driven by the production and release of a toxin called colicin which kills closely related competitors. Therefore, in this combined experimental and theoretical study, toxin expression dynamics were investigated and how they determine the timing and amount of toxin being released. Additionally, mechanisms of noise control of both, toxin production and release in the ColicinE2 expression system were analyzed. Finally, the influence of stochasticity in single-cell expression dynamics and toxin production on bacterial competition outcome between a colicin producing strain and a toxin sensitive strain were investigated. Using this analysis, I was able to show that both toxin expression dynamics and noise in the ColicinE2 system are mainly controlled by globally acting regulatory proteins such as LexA and CsrA. Regarding CsrA, factors affecting the availability of free CsrA play an important role. Furthermore, I was able to identify single-stranded DNA produced by replication of the toxin producing plasmid as a new, previously unknown regulatory component influencing CsrA abundance in the cell. In addition, I could show that the metabolism of the bacterial cell influences the timing of toxin release, which is in turn correlated to the actual amount of released toxin. Finally, I could show how these toxin expression dynamics affect competition outcome for colicin driven bacterial interaction and could determine the importance of high toxin amounts as well as heterogeneity in toxin release timing for the competitive success of the colicin producing population.

Abstract

Komplexe mikrobielle Gemeinschaften bestehen aus vielen verschiedenen Bakterienstämmen die eine Vielzahl an Interaktionsmöglichkeiten miteinander besitzen. Vor allem in Umgebungen die vielen Schwankungen ausgesetzt sind, ist die Stabilität eines solchen Ökosystems ein wichtiges Überlebenskriterium. Es ist jedoch noch kaum bekannt welche Faktoren die dynamischen Prozesse der bakteriellen Interaktion beeinflussen und wie sich die dadurch veränderten Prozesse auf den bakteriellen Wettbewerb auswirken. Die Interaktion von verschiedenen Bakterienstämmen kann z.B. durch die Produktion und Abgabe von allgemein nutzbaren Substanzen (z.B. Proteine,...) erfolgen. Daher ist es wichtig die Produktionsdynamiken solcher Substanzen in einzelnen Zellen (mikroskopische Interaktionsebene) zu untersuchen um ihren Einfluss auf die Zusammensetzung komplexer Ökosysteme (makroskopische Interaktionsebene) verstehen zu können. Dabei ist eine quantitative Analyse spezifischer Interaktionsparameter von besonderem Interesse, wie z.B. ihre Produktionsmenge und ihr Abgabezeitpunkt, um zu verstehen wie sich Änderungen dieser Parameter auf das Wettbewerbsergebnis zwischen den Interaktionspartnern auswirken. Ein weiterer wichtiger Faktor, der diese Parameter und damit den bakteriellen Wettbewerb beeinflussen kann ist stochastisches Rauschen. In dieser Arbeit wird das plasmidkodierte ColicinE2 System von Escherichia coli als Modellsystem genutzt um oben genannte Aspekte zu studieren. Ein wichtiger Faktor der Interaktionen bei denen ein solcher Stamm beteiligt ist, ist die Produktion und Abgabe eines Toxins (Colicin genannt), das nahe verwandte Bakterien tötet. Daher wird in dieser Arbeit in einer Kombination aus experimenteller und theoretischer Analyse untersucht welchen Einfluss Einzelzellparameter wie der Zeitpunkt der Toxinabgabe und die Menge des abgegebenen Toxins auf den makroskopischen bakteriellen Wettbewerb (Populationsebene) haben. Des Weiteren wird analysiert welche regulatorische Mechanismen des ColicinE2 Systems das Rauschen von Toxinproduktionsmenge und Abgabezeitpunkt des Toxins kontrollieren. Abschließend wird derWettbewerb zwischen einem toxinproduzierenden C-Stamm und einem toxinsensitiven S-Stamm untersucht und wie sich die zuvor untersuchten Expressionsdynamiken der einzelnen Zellen und Stochastizität der Genexpression auf den Wettbewerb zwischen dem C-Stamm und dem S-Stamm auswirken. Anhand dieser Untersuchungen konnte ich zeigen, dass die Toxinexpressionsdynamik und deren Rauschen im ColicinE2 System hauptsächlich durch globale Regulatoren wie die Proteine LexA oder CsrA kontrolliert werden. Im Bezug auf CsrA sind vor allem die Verfügbarkeit von freiem CsrA und welche Regulationskomponenten diese Verfügbarkeit steuern wichtig. Dabei konnte ich einzelsträngige DNA, die bei der Replikation des Colicinplasmids entsteht, als neuen Regulationsfaktor für freies CsrA identifizieren. Außerdem konnte ich zeigen, dass sich der Metabolismus der Bakterienzelle auf die Dynamiken der Toxinproduktion auswirkt und der Abgabezeitpunkt des Toxins mit der abgegebenen Colicinmenge korreliert. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass sich die Toxinexpressionsdynamiken auf das Resultat des bakteriellen Wettbewerbs auswirken und dass sowohl die abgegebene Toxinmenge als auch eine zeitlich heterogene Toxinabgabe wichtig für den Wettbewerbserfolg der colicinproduzierenden Population sind.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 19. Mai 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Opitz, Madeleine