ABSTRACT Bacteria allocate their proteome to cellular functions differently in different growth conditions. It is largely unknown how such allocation arises from known mechanisms of gene regulation while constrained by limited translation capacity and fixed protein density. Here, we performed absolute transcriptomic and proteomic analysis for E. coli across many conditions, obtaining a plethora of results on promoters and mRNAs characteristics that clash with conventional expectations: the majority of mRNAs exhibit similar translational efficiencies, while the promoter strengths are vastly different across genes. These characteristics prescribe two principles of gene regulation guiding bacteria to attain the desired protein allocation under global constraints: Total transcriptional output is tightly coordinated with ribosomal activity, and the concentrations of individual proteins are largely set by transcription. These two principles lead to a quantitative formulation of Central Dogma which unravels the complex relationship between gene regulatory activities and mRNA/protein concentrations across conditions. The knowledge obtained will be invaluable for accurately inferring gene regulatory interactions from ‘omics data, as well as for guiding the design of genetic circuits for synthetic biology applications in E. coli and other organisms.

ABSTRACT Bacteria organize many activities according to their grow rate via the ppGpp signaling system. Yet it is not clear how this signaling system “knows” how fast cells grow. Through quantitative experiments, we show that ppGpp responds inversely to the rate of translational elongation in E. coli . Together with its roles in inhibiting ribosome biogenesis and activity, ppGpp closes a key regulatory circuit that enables the cell to perceive and control the rate of its growth across conditions. The celebrated linear growth law relating the ribosome content and growth rate emerges as a consequence of keeping a supply of ribosome reserves while maintaining elongation rate in slow growth conditions. Further analysis suggests the elongation rate itself is detected by sensing the ratio of dwelling and translocating ribosomes, a strategy employed to collapse the complex, high-dimensional dynamics of the molecular processes underlying cell growth to perceive the physiological state of the whole.

Abstract To sustain growth in fluctuating environments microbial organisms must respond appropriately. The response generally requires the synthesis of novel proteins, but this synthesis can be impeded due to the depletion of biosynthetic precursors when growth conditions vary. Microbes must thus devise effective response strategies to manage depleting precursors. To better understand these strategies, we here investigate the active response of Escherichia coli to changes in nutrient conditions, connecting transient gene-expression behavior to growth phenotypes. By synthetically modifying the gene expression during changing growth conditions, we show how the competition by genes for the limited protein synthesis capacity constrains the cellular response. Despite this constraint, cells substantially express genes that are not required, severely slowing down the response. These findings highlight that cells do not optimize growth and recovery in every encountered environment but rather exhibit hardwired response strategies that may have evolved to promote growth and fitness in their native environment and include the regulation of multiple genes. The constraint and the suboptimality of the cellular response uncovered in this study provides a conceptual framework relevant for many research applications, from the prediction of evolution and adaptation to the improvement of gene circuits in biotechnology.

ABSTRACT Many biogeochemical functions involve bacteria utilizing solid substrates. However, little is known about the coordination of bacterial growth with the kinetics of attachment to and detachment from such substrates. In this quantitative study of Vibrio sp. 1A01 growing on chitin particles, we reveal the heterogeneous nature of the exponentially growing culture, comprised of two co-existing subpopulations: a minority replicating on chitin particles and a non-replicating majority which was planktonic. This partition resulted from a high rate of cell detachment from particles. Despite high detachment, sustained exponential growth of cells on particles was enabled by the enrichment of extra-cellular chitinases excreted and left behind by detached cells. The “inheritance” of these chitinases sustains the colonizing subpopulation despite its reduced density. This simple mechanism helps to circumvent a tradeoff between growth and dispersal, allowing particle-associated marine heterotrophs to explore new habitats without compromising their fitness on the habitat they have already colonized.