Competitive patterns among strains of Streptococcus pneumoniae on plate and in broth

Abstract

Den menneskelige tarmmikrobiotaen spiller en viktig rolle i å forme vertens helse. Allerede i spedbarnsfasen koloniseres tarmen av mange bakteriearter, og sosiale interaksjoner mellom dem påvirker bakteriesammensetningen. En nylig oppdagelse har avdekket en sammenheng mellom stammediversitet og gener som koder for spesifikke bakteriosiner i tarmen til spedbarn. Dermed hadde denne oppgaven som mål å undersøke mekanismer som mulig kunne forklare den høye stammediversiteten av S. pneumoniae i spedbarnstarmen.

Studien i denne oppgaven involverte undersøkelse av konkurransemønstre blant åtte stammer av S. pneumoniae. Dette innebar først intraspesifikk konkurranse på agarskåler ved å gjennomføre overleggprøver for å observere konkurranseutfall i et miljø som er likt slimhinneoverflater. Hemmingssoner skapt av produsentstammer ble målt i overleggstammer, og gjennomsnittsstørrelsen på sonene skapt av hver produsentstamme ble beregnet og sammenlignet. Videre ble tre av åtte stammer valgt for intraspesifikk konkurranse i flytende medium for å observere konkurranseutfall i et miljø som er mer lik tarmens lumen. Stammene ble blandet parvis i ulike kombinasjoner med hensyn til initial dyrking på blod- og gjæranrikede agarskåler. Prøver fra blandingskulturer ble tatt 0, 3 og 5 timer inn i konkurransen, etterfulgt av DNA ekstraksjon og Sanger sekvensering for å oppnå tolkbare resultater. Multilokussekvenstyping ble brukt for å skille mellom stammer i blandingskulturer, og et skåringssystem ble opprettet for å beregne en omtrentlig relativ forekomst av stammer i blandingskulturer ved de ulike prøvetakingstidspunktene under konkurransen. Gjennomsnittlig relativ forekomst av stammer i blandingskulturer bestående av samme stammer ble beregnet og sammenlignet.

Konklusjonen er at resultatene fra konkurranseeksperimentene indikerer at reproduktive strategier mulig kan forklare den høye stammediversiteten av S. pneumoniae i spedbarnstarmen. De to konkurranseeksperimentene ga ulike konkurranseutfall for de ulike stammene med hensyn til type medium. Under konkurransen på skål viste Hermans-33 betydelig større hemmende evner sammenlignet med alle de andre stammene, mens den ble lett utkonkurrert av D39 og PMEN-14 under konkurransen i flytende medium. Disse resultatene samsvarer med r/K-seleksjonsteorien, ved anta at D39 og PMEN-14 er r-strateger med hurtig vekst, mens Hermans-33 er en K-strateg med konkurransedyktige egenskaper.

The human gut microbiota plays an important role in shaping the health of its host. Already during infancy, numerous bacterial species colonize the gut and social interactions among them influence the bacterial composition. A recent discovery revealed a correlation between strain diversity and genes encoding specific bacteriocins within the human infant gut. Thereby, this thesis aimed to investigate mechanisms that could potentially explain the high strain diversity of S. pneumoniae within the infant gut.

The study of this thesis involved investigation of competitive patterns among eight strains of S. pneumoniae. First, this involved intraspecific competition on agar plates, conducting overlay assays, to observe competitive outcomes in an environment similar to mucosal surfaces. Inhibition zones generated by producer strains were measured in overlay strains and average size of zones generated by each producer strain were calculated and compared. Further, three out of eight strains were selected for intraspecific competition in liquid broth to observe competitive outcomes in an environment similar to the gut lumen. Strains were mixed pairwise yielding different combinations of the same strains regarding initial culturing on blood- and yeast-enriched agar media. Samples of mixed cultures were taken 0, 3, and 5 hours into the competition and DNA extraction followed by Sanger sequencing was conducted to obtain interpretable results. Multilocus sequence typing was used to differentiate between strains in mixed cultures and a scoring system was created to calculate an approximate relative abundance of strains in mixed cultures at the different sampling points during competition. Mean relative abundance of strains in samples composed of the same strains were calculated and compared.

In conclusion, the results of the competition experiments indicate that reproductive strategies is a mechanism that could potentially explain the high strain diversity of S. pneumoniae within the infant gut. The two competition experiments yielded different competitive outcomes for the different strains regarding type of media. During competition on plate, Hermans-33 showed notable greater inhibitory capabilities compared to all the other strains, whereas when mixed with D39 and PMEN-14 during competition in broth, it was easily surpassed. These results aligns with the r/K selection theory implying D39 and PMEN-14 are r-strategists, exhibiting rapid growth, while Hermans-33 is a K-strategist, exhibiting competitive capabilities.