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Phenotypic diversity and adaptation of Escherichia Coli explored with digital millifluidic
Diversité phénotypique et adaptation étudiées en millifluidique digitale
Les bactéries jouent un rôle majeur dans notre environnement. Leur omniprésence vient de leur remarquable capacité d’adaptation. Mieux comprendre cette adaptabilité peut permettre de mieux les combattre ou mieux les utiliser. La diversité des phénotypes au sein d’une population, c’est-à-dire les différents caractères observables, et les mécanismes de diversification sont les ingrédients de l’adaptabilité des bactéries. Pour étudier l’adaptation, nous avons suivi l’évolution temporelle de la diversité au sein de populations d’Escherichia Coli lors de changements environnementaux. Nous obtenons une image de la diversité grâce à un outil de phénotypage en millifluidique qui permet d’acquérir les courbes de croissances de mille bactéries en parallèle. À travers trois exemples nous montrons la pertinence de cette approche pour lire les phénotypes d’une population et nous explorons les rôles de la diversification et de la sélection darwinienne sur les dynamiques d’adaptation observées. La variation de phase du gène ag43 et l’exposition à une concentration non létale d’antibiotique illustrent une première phase de l’adaptation régie par la compétition entre les phénotypes dont les probabilités d’apparition sont les plus élevées. Enfin nous étudions pendant trente jours l’adaptation d’une population dans un environnement épuisé. Nous observons une convergence vers un phénotype à quinze jours. Ce déterminisme est commun aux trois exemples. En revanche, la suite de cette expérience est imprédictible : l’observation est différente pour chaque répétition. Une seconde phase d’adaptation se joue, elle est dominée par l’apparition rare de mutations bénéfiques.
Phenotypic diversity and adaptation explored with digital millifluidic
Bacteria play a major role in our environment. Their ubiquity comes from their amazing ability to adapt to environmental conditions. Understand their adaptability can help to cure infections or to use bacteria for biotechnology. The diversity of phenotypes within a population - different observable characters - and the diversification mechanisms contribute to the bacterial adaptability. In order to study the adaptation of bacteria, we followed the temporal evolution of diversity within populations of Escherichia coli through environmental transition. We get a picture of the diversity with a phenotyping tool in millifluidic allowing parallel acquisition of one thousand the bacteria growth curves. Through three examples, we show the potential of this approach to read the phenotypes within a population and we explore the roles of diversification and Darwinian selection on the dynamics of adaptation observed. The phase variation of the ag43 gene and the exposure to a non lethal concentration of antibiotic illustrate a first phase of adaptation governed by the competition between the phenotypes with the highest apparition probabilities. Finally we study the adaptation of a population in a depleted environment for thirty days. After fifteen days we observe a convergence towards a single phenotype. This determinism is common to all three examples. However, the end of the experiment is unpredictable : the observation is different for each repetition. It corresponds to a second phase of adaptation which is dominated by the rare appearance of beneficial mutations.