At what cost? Attempting to quantify cost of resistance in bacterium-phage interactions

Abstract

Biodiversiteten i mikrobielle samfunn er svært stor. Organismene som danner samfunnet må stadig gjøre avveininger mellom ulike karaktertrekk som påvirker deres muligheter for vekst, konkurranse og overlevelse. For å beskrive og forstå hvordan det mikrobielle mangfoldet har oppstått, utviklet seg og blir opprettholdt, må vi forstå disse avveiningene. Bakterier kan utvikle forsvar mot bakteriofager (fag, virus som infiserer bakterier) men slik resistens kan samtidig gå ut over deres konkuranseevne. I naturlige økosystem er det vanskelig å kvantifisere grad av forsvars- og konkurranseevne, og ikke minst avveininger mellom disse. Proteinsyntese er en fundamental prosess i alle levende organismer, og synes derfor å kunne være en brukbar egenskap for å tallfeste kostnaden av resistens hos bakterier. Escherichia coli utgjør et enkelt modellsystem som også er egnet til å avsløre viktige konsekvenser av fagresistens i samband med fagterapi. Jeg isolerte både helt og delvis fagresistente E. coli og sammenlignet disse med hensyn på proteinsyntese i enkeltceller. Til dette brukte jeg BONCAT (bioorthogonal non-canonical amino acid tagging) metoden, som baserer seg på bakterienes opptak og inkorporering av syntetiske aminosyrer som kan merkes selektivt med fluoriserende fargestoff og detekteres i flowcytometer. De syntetiske aminosyrene hadde effekter på bakterienes metabolisme utover det som var forventet, men metoden ble likevel optimalisert og validert for bruk i de planlagte eksperimentene uten at bakterienes vekstegenskaper ble påvirket. Ved helgenomsekvensering kunne spesifikke mutasjoner knyttes til fagresistens. Slimdannende fenotyper med ulike grad av fagresistens hadde redusert vekst hastighet og lavere næringsopptak, mens en annen fagresistent mutant hadde økt aminosyreopptak, ingen endring i veksthastighet og redusert vektutbytte. Kostnaden av resistens kan med andre ord manifestere seg enten som både økt eller redusert proteinproduksjon, hvilke tyder på at fagresistens kan ha påvirke raten og effektiviteten av proteinsyntese. Videre forskning er nødvendig for å forstå sammenhengen mellom fluorescens og proteinsyntese i metoden og hvordan ulike fagresistensmekanismer kan påvirke opptak og inkorporering av aminosyrer i bakterier.

Microbial communities are remarkably diverse and trade-offs between life history traits are important to explain the existence and generation of this diversity. Bacteriophages (phages, viruses that infect bacteria) promote trade-offs between competition and defense in bacteria, as phage resistance affects bacterial fitness. The cost of resistance can present itself in different traits, making it challenging to quantify in natural systems. As protein synthesis is a fundamental process in all living organisms, it may be a useful target to measure the cost of resistance. Escherichia coli makes a simple model system that can unveil consequences of phage resistance that also could be important for phage therapy applications. In the current study, I isolated both fully and partially phage-resistant E. coli and assessed their fitness using multiple trait measurements. In attempts to quantify the cost of resistance, I used the single-cell method termed bioorthogonal non-canonical amino acid tagging (BONCAT), which uses selectively stainable synthetic amino acids that bacteria incorporate into newly synthesized proteins that can be tracked using flow cytometry. The synthetic amino acids were found to impact the bacterial metabolism more than anticipated, but the method was optimized and validated to affect bacterial growth as little as possible. Whole genome sequencing of the phage-resistant E. coli revealed unique mutations potentially explaining the resistance. Mucoid phenotypes with different phage susceptibility were linked to reduced growth rates and protein synthetic activity. Another phage-resistant isolate showed no change in growth, but an increase in BONCAT fluorescence and a reduction in yield. Thus, the cost of resistance can manifest either as increased or decreased translational activity, indicating that phage resistance impacts both the rate and efficiency of protein synthesis in bacteria. Further investigation is needed to fully understand the fluorescence-protein synthesis relationship of the method as well as how different phage resistance mechanisms affect uptake and incorporation of amino acids in bacteria.