The Effect of Multicellularity on Bacterial Interactions and Diversity

Harvard Medical School, Boston MA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

ABSTRACT    Bacterial  lifestyles  can  be  extremely  complex,  manifested  most  strikingly  in  the  formation  of  highly  cooperative multicellular structures like biofilms. Beyond the inherent basic biological interest, these complex  traits  have  significant  impacts  on  how  bacteria  relate  to  human  health  both  as  a  defense  response  leading  to  increased  drug  resistance  and  as  a  source  of  clinically-­??relevant  antibiotics,  which  are  often  only  produced  in  certain social contexts. In my post-­??doctoral work I have used the model bacterium Bacillus subtilis to study how  multicellular  behaviors  affect  the  way  bacteria  interact  with  each  other.  I  found  that  B.  subtilis  can  judge  whether  or  not  neighboring  cells  are  close  relatives,  a  phenomenon  called  kin  discrimination.  They  do  this  using  the  extensive  and  diverse  complement  of  antimicrobial  molecules  that  each  strain  produces.  This  kin  discrimination  behavior  creates  an  evolutionary  pressure  to  diversify,  resulting  in  so  much  intraspecies  variation that even very closely related strains cannot coexist in their natural habitat.    The  first  aim  of  this  proposal  will  focus  on  the  consequences  of  kin  discrimination,  specifically  whether  a  population can better resist invasion by non-­??kin cells than kin. This will inform our understanding of natural  microbial  populations  living  in  and  around  us,  and  how  they  respond  to  outside  influences.  I  will  also  learn  important  technical  skills  involved  in  experimental  evolution,  including  genome  sequencing,  comparative  genomics, and the bioinformatic and programming skills inherent to working with large genomic datasets.    The  second  aim  seeks  to  gain  a  better  understanding  of  the  diversity  lurking  within  the  B.  subtilis  species  by  examining  three  routes  of  evolutionary  change:  amino  acid  substitutions,  gain/loss  of  entire  genes,  and  changes  in  gene  transcription.  By  looking  across  multiple  strains  in  multiple  multicellular  contexts,  I  will  be  able to see which of these changes is most common in early strain divergence and which genes are under the  most pressure to change. This will generate a catalog of evolutionary information that will be useful for many  years and open many avenues of research for my own independent lab. The techniques involved, such as RNA  sequencing and bioinformatic analyses, will be invaluable additions to my skillset.    The  third  aim  of  this  application  will  examine  the  generality  of  my  findings  in  other  bacteria.  Given  that  B.  subtilis use antibiotic molecules to recognize each other, I will look in the phylum of bacteria that produces the  majority of approved antibiotics: Actinobacteria. Examining intraspecies interactions can help shed light on the  evolution of antibiotic production and how best to mine for clinically relevant molecules. I will investigate the  ability  of  the  Actinobacteria  Streptomyces  to  discriminate  kin  from  non-­??kin,  and  whether  this  is  mediated  through antibiotic diversity. This project will be my introduction to Actinobacteria, with the long-­??term goal of  studying other aspects of their fascinating multicellular lifecycle.     The training I will continue to receive under Dr. Roberto Kolter at Harvard Medical School will give me a great  foundation  of  microbiology  experience  on  which  to  build  my  career.  HMS  provides  a  number  of  advantages  that will facilitate my advancement, including core sequencing facilities, bioinformatic resources, and courses  dedicated to career development. Additionally, I will receive specialized training from experts in the fields of  microbial  genomics  and  Actinobacteria  biology  to  accomplish  the  goals  of  this  proposal  and  broaden  my  development as a scientist. The knowledge and techniques I will acquire under this award will be instrumental  in obtaining my career goals and becoming an effective independent investigator.