Bridging the Holistic-Reductionist Divide in Microbial Ecology.

Microbial communities are inherently complex systems. To address this complexity, microbial ecologists are developing new, more elaborate laboratory models at an ever-increasing pace. These model microbial communities and habitats have opened up the exploration of new territories that lie between the simplicity and controllability of "synthetic" systems and the convolution and complexity of natural environments. Here, we discuss this classic methodological divide, we propose a conceptual perspective that integrates new research developments, and we sketch a 3-point possible roadmap to cross the divide between controllability and complexity in microbial ecology

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers

An individual-based approach to surface colonization by bacteria

Authors: Robin Tecon, Annemieke van der Wal, Mitja Remus-Emsermann and Johan Leveau. Abstract: Most microbial habitats are characterized by physical, chemical, and biological conditions that differ significantly along micrometer distances. This environmental heterogeneity at the scale of individual microbes may account for much of the nonrandom distribution of microorganisms observed in natural settings. Here we report on an individual-based approach that combines spatially explicit modeling and bioreporter-driven experimentation to improve our basic understanding of the impact of small-scale heterogeneity on the bacterial colonization of surfaces. We used bioreporters of Erwinia herbicola 299R tagged with the green fluorescent protein (GFP) in two ways. One type of bioreporter constitutively expressed GFP which allowed for easy visualization of the location of bacteria in relation to one another. In the second type of bioreporter, preformed GFP was diluted from cells as they divided, rendering GFP content of daughter cells an inverse function of the reproductive success of their mothers. These bioreporter cells were inoculated on a defined agarose surface and analyzed by fluorescence microscopy to measure bacterial growth and colony formation during incubation. E. herbicola cells all grew at the same rate on the surface of the gel medium, regardless of the bacterial spatial density. This suggests that under these conditions, growth of bacteria was not influenced by the presence of others nearby. Fluorescence intensity and surface area measurements of the reproductive success were in good correlation. The pattern simulation matched the experimental data when it introduced initial variations in the cell cycle of colonizers. This approach of validating bioreporter output in simple environments with defined complexity are essential for our ability to explain their performance in more complex environments, such as the natural habitat of E. herbicola 299R, i.e. the plant leaf surface

The mechanics of bacterial cluster formation on plant leaf surfaces as revealed by bioreporter technology

Bacteria that colonize the leaves of terrestrial plants often occur in clusters whose size varies from a few to thousands of cells. For the formation of such bacterial clusters, two non-mutually exclusive but very different mechanisms may be proposed: aggregation of multiple cells or clonal reproduction of a single cell. Here we assessed the contribution of both mechanisms on the leaves of bean plants that were colonized by the bacterium Pantoea agglomerans. In one approach, we used a mixture of green and red fluorescent P. agglomerans cells to populate bean leaves. We observed that this resulted in clusters made up of only one colour as well as two-colour clusters, thus providing evidence for both mechanisms. Another P. agglomerans bioreporter, designed to quantify the reproductive success of bacterial colonizers by proxy to the rate at which green fluorescent protein is diluted from dividing cells, revealed that during the first hours on the leaf surface, many bacteria were dividing, but not staying together and forming clusters, which is suggestive of bacterial relocation. Together, these findings support a dynamic model of leaf surface colonization, where both aggregative and reproductive mechanisms take place. The bioreporter-based approach we employed here should be broadly applicable towards a more quantitative and mechanistic understanding of bacterial colonization of surfaces in general.

Information from single-cell bacterial biosensors: what is it good for?

Bacterial reporter cells (i.e. strains engineered to produce easily measurable signals in response to one or more chemical targets) can principally be used to quantify chemical signals and analytes, physicochemical conditions and gradients on a microscale (i.e. micrometer to submillimeter distances), when the reporter signal is determined in individual cells. This makes sense, as bacterial life essentially thrives in microheterogenic environments and single-cell reporter information can help us to understand the microphysiology of bacterial cells and its importance for macroscale processes like pollutant biodegradation, beneficial bacteria-eukaryote interactions, and infection. Recent findings, however, showed that clonal bacterial populations are essentially always physiologically, phenotypically and genotypically heterogeneous, thus emphasizing the need for sound statistical approaches for the interpretation of reporter response in individual bacterial cells. Serious attempts have been made to measure and interpret single-cell reporter gene expression and to understand variability in reporter expression among individuals in a population

Comparison of naphthalene bioavailability determined by whole-cell biosensing and availability determined by extraction with Tenax

A rapid biological method for the determination of the bioavailability of naphthalene was developed and its value as an alternative to extraction-based chemical approaches demonstrated. Genetically engineered whole-cell biosensors are used to determine bioavailable naphthalene and their responses compared with results from Tenax extraction and chemical analysis. Results show a 1:1 correlation between biosensor results and chemical analyses for naphthalene-contaminated model materials and sediments, but the biosensor assay is much faster. This work demonstrates that biosensor technology can perform as well as standard chemical methods, though with some advantages including the inherent biological relevance of the response, rapid response time, and potential for field deployment. A survey of results from this work and the literature shows that bioavailability under non-equilibrium conditions nonetheless correlates well with K(oc) or K(d). A rationale is provided wherein chemical resistance is speculated to be operative

Variation in local carrying capacity and the individual fate of bacterial colonizers in the phyllosphere

Using a phyllosphere model system, we demonstrated that the term ‘carrying capacity’, as it is commonly used in microbial ecology, needs to be understood as the sum of many ‘local carrying capacities’ in order to better explain and predict the course and outcome of bacterial colonization of an environment. Using a green fluorescent protein-based bioreporter system for the quantification of reproductive success (RS) in individual Erwinia herbicola cells, we were able to reconstruct the contribution of individual immigrants to bacterial population sizes on leaves. Our analysis revealed that plant foliage represents to bacteria an environment where individual fate is determined by the local carrying capacity of the site where an immigrant cell lands. With increasing inoculation densities, the RS of most immigrants declined, suggesting that local carrying capacity under the tested conditions was linked to local nutrient availability. Fitting the observed experimental data to an adapted model of phyllosphere colonization indicated that there might exist three types of sites on leaves, which differ in their frequency of occurrence and local carrying capacity. Specifically, our data were consistent with a leaf environment that is characterized by few sites where individual immigrants can produce high numbers of offspring, whereas the remainder of the leaf offered an equal number of sites with low and medium RS. Our findings contribute to a bottom–up understanding of bacterial colonization of leaf surfaces, which includes a quantifiable role of chance in the experience at the individual level and in the outcome at the population level.

Draft Genome Sequence of the Phyllosphere Model Bacterium Pantoea agglomerans 299R

Bacteria belonging to the genus Pantoea are common colonizers of plant leaf surfaces. Here, we present the draft genome sequence of Pantoea agglomerans 299R, a phyllosphere isolate that has become a model strain for studying the ecology of plant leaf-associated bacterial commensals.

Bioreporters: gfp versus lux revisited and single-cell response.

Genetically engineered organisms expressing spectroscopically active reporter molecules in response to chemical effectors display great potential as living transducers in sensing applications. Green fluorescent protein (gfp gene) bioreporters have distinct advantages over luminescent couterparts (lux gene), including applicability at the single-cell level, but are typically less sensitive. Here we describe a gfp-bearing bioreporter that is sensitive to naphthalene (a poorly water soluble pollutant behaving like a large class of hydrophobic compounds), is suitable for use in chemical assays and bioavailability studies, and has detection limits comparable to lux-bearing bioreporters for higher efficiency detection strategies. Simultaneously, we find that the exploitation of population response data from single-cell analysis is not an algorithmic conduit to enhanced signal detection and hence lower effector detection limits, as normally assumed. The assay reported functions to equal effect with or without biocide