Stochastic mechanisms are ubiquitous in biological systems. Biochemical reactions that involve small numbers of molecules are intrinsically noisy, being dominated by large concentration fluctuations1,2,3. This intrinsic noise has been implicated in the random lysis/lysogeny decision of bacteriophage-λ4, in the loss of synchrony of circadian clocks5,6 and in the decrease of precision of cell signals7. We sought to quantitatively investigate the extent to which the occurrence of molecular fluctuations within single cells (biochemical noise) could explain the variation of gene expression levels between cells in a genetically identical population (phenotypic noise). We have isolated the biochemical contribution to phenotypic noise from that of other noise sources by carrying out a series of differential measurements. We varied independently the rates of transcription and translation of a single fluorescent reporter gene in the chromosome of Bacillus subtilis, and we quantitatively measured the resulting changes in the phenotypic noise characteristics. We report that of these two parameters, increased translational efficiency is the predominant source of increased phenotypic noise. This effect is consistent with a stochastic model of gene expression in which proteins are produced in random and sharp bursts. Our results thus provide the first direct experimental evidence of the biochemical origin of phenotypic noise, demonstrating that the level of phenotypic variation in an isogenic population can be regulated by genetic parameters.

We present a collection of 182 isogenic strains containing genetically linked antibiotic resistance elements located at approximately 1-min intervals around the Escherichia coli chromosome. At most positions both Tn10 (Tetr) and TN10kan (Kanr) elements are available, so that the collection contains a linked set of alternating antibiotic resistance markers. The map position of each insertion has been aligned to the E. coli genetic map as well as to the Kohara ordered clone bank. These strains are designed to be used in a rapid two-step mapping system in E. coli. In the first step, the mutation is localized to a 5- to 15-min region of the chromosome by Hfr mapping with a set of Hfr strains containing either Tn10 or Tn10kan elements located 20 min from their respective origins of transfer. In the second step, the mutation is localized to a 1-min region by P1 transduction, with a collection of isogenic insertion strains as donors. We discuss the uses of this collection of strains to map and eventually to clone a variety of mutations in E. coli.

The htpR gene of E. coli encodes a positive regulator of the heat-shock response. We have fused the htpR gene to the inducible PL promoter of phage lambda. Overproduction of HtpR following a temperature upshift resulted in the overexpression of heat-shock proteins. We describe the purification and initial in vitro characterization of the factor controlling expression of heat-shock genes. The factor was the 32 kd htpR gene product. In vitro, a mixture of HtpR and core RNA polymerase initiated transcription at heat-shock promoters. The sigma factor encoded by rpoD was not required for this reaction. Therefore, HtpR is a sigma factor that promotes transcription initiation at heat-shock promoters. We propose that htpR be renamed rpoH and that the gene product be called sigma-32.

Two general models have been proposed for DNA replication. In one model, DNA polymerase moves along the DNA (like a train on a track); in the other model, the polymerase is stationary (like a factory), and DNA is pulled through. To distinguish between these models, we visualized DNA polymerase of the bacterium Bacillus subtilis in living cells by the creation of a fusion protein containing the catalytic subunit (PolC) and green fluorescent protein (GFP). PolC-GFP was localized at discrete intracellular positions, predominantly at or near midcell, rather than being distributed randomly. These results suggest that the polymerase is anchored in place and thus support the model in which the DNA template moves through the polymerase.

We have purified and characterized a modified peptide pheromone that accumulates in culture medium as B. subtilis grows to high density. This pheromone is required for the development of genetic competence. When added to cells at low density, the pheromone induces the premature development of competence. The peptide moiety of the pheromone matches nine of the last ten amino acids predicted from a 55 codon open reading frame, comX. comX and comQ, the gene immediately upstream of comX, are required for production of the pheromone. Response to the pheromone requires the comP-comA two-component regulatory system and the oligopeptide permease encoded by spo0K. Spo0K could transport the pheromone into the cell, or function as a receptor, binding the pheromone and sending a transmembrane signal, leading to activation of the ComA transcription factor and induction of competence development.

We have identified a DNA site involved in chromosome partitioning in B. subtilis. This site was identified in vivo as the binding site for the chromosome partitioning protein Spo0J, a member of the ParB family of partitioning proteins. Spo0J is a site-specific DNA-binding protein that recognizes a 16 bp sequence found in spo0J. Allowing two mismatches, this sequence occurs ten times in the entire B. subtilis chromosome, all in the origin-proximal approximately 20%. Eight of the ten sequences are bound to Spo0J in vivo. The presence of a site on an otherwise unstable plasmid stabilized the plasmid in a Spo0J-dependent manner, demonstrating that this site, called parS, can function as a partitioning site. This site and Spo0J are conserved in a wide range of bacterial species.

A microfluidic device containing a suspended microchannel resonator capable of measuring the mass of microscopic objects with femtogram resolution allows determination of bacteria, yeast and mammalian cell growth rates in less than one cell cycle by repeated measurement of the buoyant mass of single growing cells. We used a suspended microchannel resonator (SMR) combined with picoliter-scale microfluidic control to measure buoyant mass and determine the 'instantaneous' growth rates of individual cells. The SMR measures mass with femtogram precision, allowing rapid determination of the growth rate in a fraction of a complete cell cycle. We found that for individual cells of Bacillus subtilis, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae and mouse lymphoblasts, heavier cells grew faster than lighter cells.

The spo0J gene of Bacillus subtilis is required for the initiation of sporulation. We show that the sporulation defect caused by null mutations in spo0J is suppressed by a null mutation in the gene located directly upstream from spo0J, soj (suppressor of spo0J). These results indicate that Soj inhibits the initiation of sporulation and that Spo0J antagonizes that inhibition. Further genetic experiments indicated that Soj ultimately affects sporulation by inhibiting the activation (phosphorylation) of the developmental transcription factor encoded by spo0A. In addition, the temperature-sensitive sporulation phenotype caused by the ftsA279 (spoIIN279) mutation was partly suppressed by the soj null mutation, indicating that FtsA might also affect the activity of Soj. Soj and Spo0J are known to be similar in sequence to a family of proteins involved in plasmid partitioning, including ParA and ParB of prophage P1, SopA and SopB of F, and IncC and KorB of RK2, spo0J was found to be required for normal chromosome partitioning as well as for sporulation. spo0J null mutants produced a significant proportion of anucleate cells during vegetative growth. The dual functions of Spo0J could provide a mechanism for regulating the initiation of sporulation in response to activity of the chromosome partition machinery.

Abstract Bacteriophages and integrative and conjugative elements (ICEs, a.k.a. conjugative transposons) are mobile genetic elements that can move from one bacterial cell to another and often coexist in a host genome. Many bacterial species contain at least one temperate (lysogenic) phage and an integrative and conjugative element. Most strains of Bacillus subtilis are lysogenic for the phage SPß and also contain the integrative and conjugative element ICE Bs1 . We found that the presence of ICE Bs1 in cells inhibited production of SPß, during both activation of a lysogen and following de novo infection. The ICE Bs1 gene yddK ( renamed spbK for SPß killing) was both necessary and sufficient for the anti-SPß activity. Co-expression of spbK and yonE , in the absence of other ICE Bs1 and SPß genes, resulted in inhibition of cell growth and loss of cell viability. These results indicate that together spbK and yonE affected a host process needed for normal growth and that spbK constitutes an abortive infection system. We found that this anti-SPß phenotype protected populations of B. subtilis from predation by SPß, likely providing selective pressure for the maintenance of ICE Bs1 in B. subtilis populations . spbK encodes a TIR (Toll-interleukin-1 receptor)-domain protein with similarity to both plant antiviral proteins and animal innate immune signaling proteins. We postulate that selective many uncharacterized cargo genes in ICEs may confer selective advantage to cells by protecting against other mobile elements.