Dynamical aspects of the regulation of bacterial proliferation

Abstract

Bacterial proliferation has been studied for more than 100 years, but our knowledge of the mechanisms that control its dynamical aspects is still very limited. In this Thesis we have studied, at both singlecell and population levels, different aspects of the main regulators of bacterial proliferation, namely the cell cycle, biomass production and membrane stability. Our goal has been to shed light on how perturbation of these regulators affects their dynamical responses in a variety of situations. Specifically, we show that the periodic doubling of genes through the bacterial cell cycle partially entrains a genetic oscillator, but that significant coupling only arises when the oscillator is fed back to cell cycle. We have also studied perturbations in the ability of cells to produce biomass, for instance through antibiotics that affect ribosomal function. Our results suggest that survival in the presence of these antibiotics is determined by the ability of the cells to incorporate magnesium ions, which can be captured by membrane potential changes. Finally, we show that interplay between different bacterial species with diverse sensitivities to membrane-targeting antibiotics can have an unexpected outcome in co-culture, which can be explained in a simple manner by the sharing of the antibiotic between the two species.

La proliferació bacteriana ha estat estudiada durant més de 100 anys, però el nostre coneixement dels mecanismes que controlen els aspectes dinàmics d’aquesta encara són molt limitats. En aquesta Tesi hem estudiat, tant en cèl.lules individuals com a nivell poblacional, diferents aspectes dels principals reguladors de la proliferació cel.lular, concretament el cicle cel.lular, la producció de biomassa i la estabilitat de la membrana. El nostre objectiu ha estat ajudar a explicar com pertorbacions en aquests reguladors afecten la dinàmica de les seves respostes en una varietat de situacions. Específicament, mostrem que el doblament periòdic de gens a través del cicle cel.lular bacterià entrena parcialment un oscil.lador genètic, però aquest acoblament només és significatiu quan l’oscil.lador retorna la resposta al cicle cel.lular. Tamée hem estudiat pertorbacions en l’habilitat de les cèl.lules de produir biomassa, per exemple a través d’antibiòtics que afecten la funció ribosomal. Els nostres resultats suggereixen que la supervivència sota l’efecte d’aquests antibiòtics ve determinada per l’habilitat de les cèl.lules d’incorporar ions de magnesi, la qual pot ser capturada a través de canvis en el potencial de membrana. Finalment, mostrem que les interaccions entre diferents espècies bacterianes amb diverses sensitivitats a antibiòtics que afecten la membrana cel.lular poden donar lloc a resultats inesperats quan es troben en co-cultiu, els quals poden ser explicats de forma senzilla a partir del compartiment de l’antibiòtic entre les dues espècies.