Heterogeneity of gene expression during biofilm formation in Escherichia coli

Viele Bakterien existieren in der Natur hauptsächlich als strukturierte multizelluläre Gemeinschaften, sogenannte Biofilme. Biofilmentwicklung ist ein höchst regulierter Prozess, welcher den Übergang von beweglicher einzelliger zu sesshafter mehrzelliger Lebensweise einschließt. Die zelluläre Differenzierung innerhalb eines Biofilms ist ein allgemein anerkanntes Konzept, dennoch bleibt es weiterhin unklar wann, wo und wie genau eine solche Differenzierung stattfindet. In dieser Arbeit wurden fluoreszente transkriptionelle Reporterproteine verwendet, um die räumlich-zeitlichen Expressionsmuster einiger Gengruppen während der Entwicklung von submersen Escherichia coli Biofilmen auf Einzelzellebene quantitativ zu analysieren. Zuerst bestätigen wir, dass die Bildung solch untergetauchter Biofilme sowie Pellikel an der Flüssigkeit- Luft-Grenzfläche, den Hauptmatrixkomponenten Curli, und die flagellenvermittelte Motilität erfordert. Wir belegen weiterhin, dass in unserem offenen statischen System die Diversifizierung der Genexpression zu einem Auftreten von mindestens drei Subpopulationen von E. coli führt, die sich in ihren Curli- und Flagellenexpressionsstufen sowie in der Aktivität des stationären Factors Sigma S unterscheiden. Unsere Daten zeigen eine sich gegenseitig ausschließende Expression von Curli-Fasern und Flagellen auf der Einzelzellebene, mit hoher Curliexpression in den dichten Zellaggregaten/Mikrokolonien und Flagellenexpression in den Einzel- und oberflächenassoziierten Zellen. Darüber hinaus deuten unsere Ergebnisse auf eine direkte Interaktion zwischen Flagellen und Curli hin, die sich während der Entwicklung von Biofilmstrukturen gegenseitig ergänzen können. Interessanterweise, trotz der bekannten Sigma S-Abhängigkeit der Curliinduktion, gab es nur eine partielle Korrelation zwischen der Sigma S-Aktivität und der Curliexpression. Es wurden Subpopulationen von Zellen mit einer hohen Sigma S- jedoch einer niedrigen Curli-Aktivität und umgekehrt detektiert. Schlussendlich zeigen wir auffallende Unterschiede zwischen den Wachstumsraten von Zellen innerhalb und außerhalb der Aggregate, was im Einklang mit der unterschiedlichen Physiologie der beobachteten Subpopulationen steht. Außerdem liefern wir Beweise dafür, dass die Flagellenexpression in den oberflächenassoziierten Biofilmzellen durch die MotAB-vermittelte Hemmung der Flagellenrotation ausgelöst wird. Weiterhin deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Flagellenexpression in diesen Zellen der Anhaftung der Biofilmstrukturen an der Oberfläche dienen könnte, da eine Herunterregulierung der Flagellenexpression unter anhaltenden Hungerbedingungen zu einer Ablösung von E. coli Biofilmen führte. Zudem zeigen wir, dass eine Differenzierung in Curli-exprimierende und nicht-exprimierende Zellen auch in den isotropisch planktonischen Zellkulturen von E. coli beim Erreichen der stationären Wachstumsphase auftritt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Ausdifferenzierung durch Variationen in der Wachstumsrate einzelner Zellen unter hungernden Bedingungen ausgelöst werden könnte, wobei eine Subpopulation von langsamer wachsenden Zellen Curli exprimiert. Schlussendlich wurden wichtige neue Details zu molekularen Mechanismen sowie die unterliegende physiologische Relevanz der bimodalen Curliexpression enthüllt.