Competitive strategies by streptococci in the infant gut

Abstract

Spedbarnets tarm er av stor betydning fordi det er stor konkurranse mellom de ulike bakterieartene i tarmmiljøet. Av disse bakteriene har slekten Streptococcus en betydelig tilstedeværelse tidlig i livet. Den store tilstedeværelsen av streptokokker kan spille en viktig rolle i utviklingen av tarmmikrobiotaen. Derfor er det nyttig å skaffe mer kunnskap om egenskapene til streptokokker fra spedbarnets tarm og hvordan de konkurrerer med andre bakterier. De kan spesielt konkurrere med andre nært beslektede bakterier, nemlig andre streptokokker. Gener som koder for bakteriosiner har blitt funnet i streptokokker. Bakteriosiner kan spille en rolle i konkurranse mellom streptokokker fordi de sikter seg inn mot andre nært beslektede mikroorganismer. Hovedmålet med denne oppgaven er å karakterisere streptokokkene fra 10 dager gamle spedbarn og å studere hvordan de oppfører seg i konkurranse med hverandre. For å studere dette ble det laget vekstkurver, der både veksthastigheten og vekstmønstrene ble undersøkt. Disse vekstkurvene avslørte at stammene hadde svært forskjellige vekstmønstre fra hverandre. For å undersøke hvordan streptokokker kan konkurrere på epiteloverflatene i tarmen, ble overlay assays og supernatantoverlay assays utført. Disse viste ingen klare tegn på veksthemming på grunn av antimikrobielle stoffer. Streptokokkene ble også karakterisert ved hjelp av helgenomsekvensering. Sekvenseringsdataene ble brukt sammen med verktøy som BAGEL4 for å identifisere gener i streptokokkene som har blitt koblet til kjente bakteriosiner. Denne informasjonen ble brukt for å begrense antallet stammer som ble inkludert i utførelsen av et konkurranseeksperiment som inkluderer 2 stammer av Streptococcus agalactiae, betegnet som 558-2 (Agalactiae 2) og 627-1 (Agalactiae 5). Dette eksperimentet ble utført for å undersøke hvordan streptokokker oppfører seg og konkurrerer mens de vokser i flytende vekstmedia. Dette vekstmiljøet ble valgt for å simulere forholdene i tarmlumen. Konkurranseeksperimentene viste at kulturene med de to valgte stammene viste tegn til konkurranse når kulturene nærmet seg stasjonærfasen. I blandingskulturen ble det observert at blandingkulturene ble forbigått av enkeltkulturene i målt optisk tetthet, noe som tyder på at det var en viss grad av hemming i blandingskulturene. Vinneren av konkurransen mellom stammene kunne ikke bli avgjort med sikkerhet. Denne konkurransen kan skyldes at stammene produserer bakteriosiner ettersom de nådde stasjonærfasen og næringsnivået i vekstmediet begynte å avta.

The infant gut is of great importance, as there is a lot of competition between the different bacterial species in the gut. Out of these bacteria, the genus Streptococcus has a significant presence early in life. Their large presence may play an important role in the development of the gut microbiota. Therefore, it is useful to gain more knowledge about the characteristics of streptococci from the infant gut and how they compete with other bacteria. They may especially compete with other closely related bacteria, namely other streptococci. Genes encoding bacteriocins have been found in streptococci. Bacteriocins may play a role in competition between streptococci because they target other closely related microorganisms. This thesis aims to characterize the streptococci from 10-day-old infants and study how they behave in competition. Growth curves were made to study this, where both the growth rate and the pattern of how they grow were examined. These growth curves revealed the strains to have very different growth patterns from each other. In order to investigate how streptococci may compete on the epithelial surfaces of the gut, overlay assays and supernatant overlay assays were conducted. These plate assays revealed no clear sign of inhibition from antimicrobial substances. The streptococci were also characterized by means of whole genome sequencing. The sequencing data was used along with tools like BAGEL4 to identify genes in the streptococci that have been connected to known bacteriocins. This information was used to limit the number of strains included in the execution of a competition experiment to two strains of Streptococcus agalactiae, designated as 558-2 (Agalactiae 2) and 627-1 (Agalactiae 5). This experiment was conducted to research how streptococci behave and compete while growing in nutrient broth. This environment was chosen in order to simulate the conditions of the gut lumen. The competition experiments revealed that the cultures with the two chosen strains showed signs of competition as the cultures approached the stationary phase. In the mixed culture, an overtaking was observed in measured optical density, suggesting that there was some degree of inhibition in the mixed cultures. The winner of the competition could not be conclusively determined. This competition may be due to bacteriocin activity by the strains as they reached the stationary phase and the nutritional levels of the growth medium began to diminish.