Experimentelle Evolution einer synthetischen Symbiose zwischen Escherichia coli und Saccharomyces cerevisiae

Abstract

Symbioses mark important transitions in the evolution of living organisms. How they become established is largely unknown. A step towards understanding those, could be creating synthetic symbioses under strictly controlled, selective conditions in the laboratory and characterizing them microbiologically and molecularly. In this work, a strategy has been developed and applied to force two randomly chosen organisms, the bacterium Escherichia coli and the eukaryotic microorganism Saccharomyces cerevisiae, into a symbiotic association under obligate metabolic coupling in continuous co-culture in suspension. The chemical elements sulphur and phosphorus were chosen as coupling factors. E. coli has been genetically modified so the first step in sulphur assimilation, the reduction of sulphate, can no longer be catalysed. As a source of sulphur, sulphite must be provided by S. cerevisiae. Conversely, S. cerevisiae cannot grow on phosphonates as a phosphate source. Phosphate must be provided by the metabolism of E. coli from the substrate phosphonate. Preliminary investigations confirmed the mutual dependence of the two organisms on the respective metabolic activity of the partner organism: in co-culture, the chosen E. coli strain can grow in a chemically defined medium with sulphate as the sole sulphur source if sulphur is contributed to reduced form by S. cerevisiae. Yeast can grow with phosphonate as the sole source of phosphate when phosphate is released from phosphonate by E. coli. In two independent experiments at the "Genemat"-format with sulphate and phosphonate as the sole sources of sulphur and phosphate, both organisms were able to persist for ≈ 815 and ≈ 642 generations in continuous co-culture. In each of these two experiments, two adaptive events were observed and characterized that led to increased dilution rates (i.e., increased productivity of the coupled system). DNA sequence analyses of the genomes from the evolved organisms identified genetic changes during the experiment that may have contributed to the adaptation events. Microscopic inspection of samples from the culture showed a tendency towards physical association of the two organisms during certain phases of the co-culture.

Symbiosen markieren wichtige Übergänge in der Evolution lebender Organismen. Es ist weitgehend unbekannt, wie sie sich etablieren. Ein Schritt zum Verständnis könnte sein, synthetische Symbiosen unter strikt kontrollierten, selektiven Bedingungen im Labor zu erzeugen und diese mikrobiologisch und molekularbiologisch zu charakterisieren. In dieser Arbeit wurde eine Strategie entwickelt und angewendet, um zwei willkürlich ausgewählte Organismen, das Bakterium Escherichia coli und den eukaryontischen Mikroorganismus Saccharomyces cerevisiae unter obligater metabolischer Kopplung in kontinuierlicher Kokultur in Suspension zu einer symbiotischen Assoziation zu zwingen. Als Kopplungsfaktoren wurden die chemischen Elemente Schwefel und Phosphor gewählt. E. coli wurde genetisch so verändert, dass der erste Schritt in der Assimilation von Schwefel, die Reduktion von Sulfat, nicht mehr katalysiert werden kann; als Schwefelquelle muss Sulfit durch S. cerevisiae bereitgestellt werden. S. cerevisiae kann im Gegenzug nicht auf Phosphonaten als Phosphatquelle wachsen; Phosphat muss durch den Stoffwechsel von E. coli aus dem Substrat Phosphonat bereitgestellt werden. Voruntersuchungen bestätigten die gegenseitige Abhängigkeit der beiden Organismen von der jeweiligen metabolischen Leistung des Partnerorganismus: In Kokultur kann der verwendete E. coli-Stamm in einem chemisch definierten Medium mit Sulfat als einziger Schwefelquelle wachsen, wenn Schwefel in reduzierter Form durch S. cerevisiae beigetragen wird, die Hefe kann mit Phosphonat als einziger Phosphatquelle wachsen, wenn Phosphat durch E. coli aus Phosphonat freigesetzt wird. In zwei unabhängigen Experimenten im „Genemat“-Format mit Sulfat und Phosphonat als einzigen Schwefel- und Phosphatquellen konnten beide Organismen über ≈ 815 und ≈ 642 Generationen in kontinuierlicher Kokultur persistieren. In jedem der beiden Experimente wurden zwei adaptive Ereignisse registriert und charakterisiert, die zu erhöhten Verdünnungsraten (d.h. zu einer erhöhten Produktivität des gekoppelten Systems) führten. DNA-Sequenzanalysen der Genome der evolvierten Organismen identifizieren genetische Veränderungen während des Experiments, die dazu beigetragen haben könnten. Mikroskopische Inspektionen von Proben aus der Kultur zeigten eine Tendenz zur physikalischen Assoziation der beiden Organismen während bestimmter Phasen der Kokultur.