The study of bacterial ion channels has provided fundamental insights into the structural basis of neuronal signalling; however, the native role of ion channels in bacteria has remained elusive. Here we show that ion channels conduct long-range electrical signals within bacterial biofilm communities through spatially propagating waves of potassium. These waves result from a positive feedback loop, in which a metabolic trigger induces release of intracellular potassium, which in turn depolarizes neighbouring cells. Propagating through the biofilm, this wave of depolarization coordinates metabolic states among cells in the interior and periphery of the biofilm. Deletion of the potassium channel abolishes this response. As predicted by a mathematical model, we further show that spatial propagation can be hindered by specific genetic perturbations to potassium channel gating. Together, these results demonstrate a function for ion channels in bacterial biofilms, and provide a prokaryotic paradigm for active, long-range electrical signalling in cellular communities. Ion channels in bacterial biofilms are shown to conduct long-range electrical signals within the biofilm community through the propagation of potassium ions; as predicted by a simple mathematical model, potassium channel gating is shown to coordinate metabolic states between distant cells via electrical communication. Gürol Suel and colleagues show that ion channels in bacterial biofilms, which have no known functional role, conduct long-range electrical signals within the biofilm community through the propagation of potassium ions. Metabolic coordination between spatially segregated cells in a Bacillus subtilis biofilm is shown to be dependent on ion channel activity. Metabolic limitation triggers activation of the YugO potassium channel, which also propagates the extracellular potassium signal within the biofilm, resulting in a wave of depolarization that coordinates metabolic states among cells in the interior and periphery of the biofilm. Using a simple mathematical model the authors demonstrate that YugO channel gating is sufficient to promote efficient electrical communication between distant cells.

Cells that reside within a community can cooperate and also compete with each other for resources. It remains unclear how these opposing interactions are resolved at the population level. Here we investigate such an internal conflict within a microbial (Bacillus subtilis) biofilm community: cells in the biofilm periphery not only protect interior cells from external attack but also starve them through nutrient consumption. We discover that this conflict between protection and starvation is resolved through emergence of long-range metabolic co-dependence between peripheral and interior cells. As a result, biofilm growth halts periodically, increasing nutrient availability for the sheltered interior cells. We show that this collective oscillation in biofilm growth benefits the community in the event of a chemical attack. These findings indicate that oscillations support population-level conflict resolution by coordinating competing metabolic demands in space and time, suggesting new strategies to control biofilm growth. The emergence of long-range metabolic co-dependence within a biofilm drives oscillations in growth that resolve a social conflict between cooperation and competition, thereby increasing community-level fitness against chemical attack. During growth in a biofilm, cells at the periphery protect interior cells from external attack but can also starve them through nutrient consumption by the peripheral cells. Here Gürol Süel and colleagues find that this conflict between protection and starvation is resolved by the emergence of long-range metabolic co-dependence between cells at the periphery and the interior. In particular, they show in Bacillus subtilis biofilms that growth periodically halts, increasing the availability of nutrients to the sheltered interior cells, which in turn provide the metabolites necessary for growth at the periphery.

Withdrawal Statement This manuscript has been withdrawn by the authors as it was submitted and made public without the full consent of all the authors. Therefore, the authors do not wish this work to be cited as reference for the project. If you have any questions, please contact the corresponding author.

Despite extensive knowledge on phage resistance at bacterium level, the resistance of bacterial communities is still not well-understood. Given its ubiquity, it is essential to understand resistance at the community level. We performed quantitative investigations on the dynamics of phage infection in Klebsiella pneumoniae biofilms. We found that the biofilms quickly developed resistance and resumed growth. Instead of mutations, the resistance was caused by unassembled phage tail fibers released by the phage-lysed bacteria. The tail fibers degraded the bacterial capsule essential for infection and induced spreading of capsule loss in the biofilm, and tuning tail fiber and capsule levels altered the resistance. Latent infections sustained in the biofilm despite resistance, allowing stable phage-bacteria coexistence. Last, we showed that the resistance exposed vulnerabilities in the biofilm. Our findings indicate that phage lysate plays important roles in shaping phage-biofilm interactions and open more dimensions for the rational design of strategies to counter bacteria with phage.

Information processing in the mammalian brain relies on a careful regulation of the membrane potential dynamics of its constituent neurons, which propagates across the neuronal tissue via electrical signalling. We recently reported the existence of electrical signalling in a much simpler organism, the bacterium Bacillus subtilis. In dense bacterial communities known as biofilms, nutrient-deprived B. subtilis cells in the interior of the colony use electrical communication to transmit stress signals to the periphery, which interfere with the growth of peripheral cells and reduce nutrient consumption, thereby relieving stress from the interior. Here we explicitly address the interplay between metabolism and electrophysiology in bacterial biofilms, by introducing a spatially-extended mathematical model that combines the metabolic and electrical components of the phenomenon in a discretised reaction-diffusion scheme. The model is experimentally validated by environmental and genetic perturbations, and confirms that metabolic stress is transmitted through the bacterial population via a potassium wave. Interestingly, this behaviour is reminiscent of cortical spreading depression in the brain, characterised by a wave of electrical activity mediated by potassium diffusion that has been linked to various neurological disorders, calling for future studies on the evolutionary link between the two phenomena.

Abstract Biofilm communities of Bacillus subtilis bacteria have recently been shown to exhibit collective growth-rate oscillations mediated by electrochemical signaling to cope with nutrient starvation. These oscillations emerge once the colony reaches a large enough number of cells. However, it remains unclear whether the amplitude of the oscillations, and thus their effectiveness, builds up over time gradually, or if they can emerge instantly with a non-zero amplitude. Here we address this question by combining microfluidics-based time-lapse microscopy experiments with a minimal theoretical description of the system in the form of a delay-differential equation model. Analytical and numerical methods reveal that oscillations arise through a subcritical Hopf bifurcation, which enables instant high amplitude oscillations. Consequently, the model predicts a bistable regime where an oscillating and a non-oscillating attractor coexist in phase space. We experimentally validate this prediction by showing that oscillations can be triggered by perturbing the media conditions, provided the biofilm size lies within an appropriate range. The model also predicts that the minimum size at which oscillations start decreases with stress, a fact that we also verify experimentally. Taken together, our results show that collective oscillations in cell populations can emerge suddenly with non-zero amplitude via a discontinuous transition.