Multidimensional RNA structures can act as scaffolds for the spatial organization of bacterial metabolism.

Aging, defined as a decrease in reproduction rate with age, is a fundamental characteristic of all living organisms down to bacteria. Yet we know little about the causal molecular mechanisms of aging within the in vivo context of a wild-type organism. One of the prominent markers of aging is protein aggregation, associated with cellular degeneracy in many age-related diseases, although its in vivo dynamics and effect are poorly understood. We followed the appearance and inheritance of spontaneous protein aggregation within lineages of Escherichia coli grown under nonstressed conditions using time-lapse microscopy and a fluorescently tagged chaperone (IbpA) involved in aggregate processing. The fluorescent marker is shown to faithfully identify in vivo the localization of aggregated proteins, revealing their accumulation upon cell division in cells with older poles. This accretion is associated with >30% of the loss of reproductive ability (aging) in these cells relative to the new-pole progeny, devoid of parental inclusion bodies, that exhibit rejuvenation. This suggests an asymmetric strategy whereby dividing cells segregate damage at the expense of aging individuals, resulting in the perpetuation of the population.

Abstract Despite advances in aging research, a multitude of aging models, and empirical evidence for diverse senescence patterns, understanding is lacking of the biological processes that shape senescence, both for simple and complex organisms. We show that for a isogenic Escherichia coli bacterial population senescence results from two stochastic processes. A primary random deterioration process within the cell, such as generated by random accumulation of damage, leads to an exponential increase in mortality early in life followed by a late age mortality plateau; a secondary process of stochastic asymmetric transmission of an unknown factor at cell fission influences mortality. This second process is required to explain the difference between the classical mortality plateaus detected for young mothers’ offspring and the near non-senescence of old mothers’ offspring as well as the lack of a mother offspring correlation in age at death. We observed that life span is predominantly determined by underlying stochastic stage dynamics. Our findings support models based on stage-specific actions of alleles for the evolution of senescence. This support might be surprising since these models that have not specifically been developed in the context of simple, single cell organisms. We call for exploration of similar stochastic influences beyond simple organisms.

Genetically identical cells in the same stressful condition die at different times. The origin of this stochasticity is unclear; it may arise from different initial conditions that affect the time of demise, or from a stochastic damage accumulation mechanism that erases the initial conditions and instead amplifies noise to generate different lifespans. To address this requires measuring damage dynamics in individual cells over the lifespan, but this has rarely been achieved. Here, we used a microfluidic device to measure membrane damage in 648 carbon-starved E. coli cells at high temporal resolution. We find that initial conditions of damage, size or cell-cycle phase do not explain most of the lifespan variation. Instead, the data points to a stochastic mechanism in which noise is amplified by a rising production of damage that saturates its own removal. Surprisingly, the relative variation in damage drops with age: cells become more similar to each other in terms of relative damage, indicating increasing determinism with age. Thus, chance erases initial conditions and then gives way to increasingly deterministic dynamics that dominate the lifespan distribution.

Bacteriophages constitute an invaluable biological reservoir for biotechnology and medicine. The ability to exploit such vast resources is hampered by the lack of methods to rapidly engineer, assemble, package genomes, and select phages. Cell-free transcription-translation (TXTL) offers experimental settings to address such a limitation. Here, we describe PHage Engineering by In vitro Gene Expression and Selection (PHEIGES) using T7 phage genome and Escherichia coli TXTL. Phage genomes are assembled in vitro from PCR-amplified fragments and directly expressed in batch TXTL reactions to produce up to 1011 PFU/ml engineered phages within one day. We further demonstrate a significant genotype-phenotype linkage of phage assembly in bulk TXTL. This enables rapid selection of phages with altered rough lipopolysaccharides specificity from phage genomes incorporating tail fiber mutant libraries. We establish the scalability of PHEIGES by one pot assembly of such mutants with fluorescent gene integration and 10% length-reduced genome.

Abstract Background Universal access to assessment and treatment of mental health and learning disorders remains a significant and unmet need. There is a vast number of people without access to care because of economic, geographic, and cultural barriers as well as limited availability of clinical experts who could help advance our understanding of mental health. Objective To create an open, configurable software platform to build clinical measures, mobile assessments, tasks, and interventions without programming expertise. Specifically, our primary requirements include: an administrator interface for creating and scheduling recurring and customized questionnaires where end users receive and respond to scheduled notifications via an iOS or Android app on a mobile device. Such a platform would help relieve overwhelmed health systems, and empower remote and disadvantaged subgroups in need of accurate and effective information, assessment, and care. This platform has potential to advance scientific research by supporting the collection of data with instruments tailored to specific scientific questions from large, distributed, and diverse populations. Methods We conducted a search for tools that satisfy the above requirements. We designed and developed a new software platform called “MindLogger” that exceeds the above requirements. To demonstrate the tool’s configurability, we built multiple “applets” (collections of activities) within the MindLogger mobile application and deployed several, including a comprehensive set of assessments underway in a large-scale, longitudinal, mental health study. Results Of the hundreds of products we researched, we found 10 that met our primary requirements above with 4 that support end-to-end encryption, 2 that enable restricted access to individual users’ data, 1 that provides open source software, and none that satisfy all three. We compared features related to information presentation and data capture capabilities, privacy and security, and access to the product, code, and data. We successfully built MindLogger mobile and web applications, as well as web browser-based tools for building and editing new applets and for administering them to end users. MindLogger has end-to-end encryption, enables restricted access, is open source, and supports a variety of data collection features. One applet is currently collecting data from children and adolescents in our mental health study, and other applets are in different stages of testing and deployment for use in clinical and research settings. Conclusions We have demonstrated the flexibility and applicability of the MindLogger platform through its deployment in a large-scale, longitudinal, mobile mental health study, and by building a variety of other mental health-related applets. With this release, we encourage a broad range of users to apply the MindLogger platform to create and test applets to advance health care and scientific research. We hope that increasing availability of applets designed to assess and administer interventions will facilitate access to health care in the general population.

Abstract Biochemical processes often require spatial regulation and specific microenvironments. The general lack of organelles in bacteria limits the potential of bioengineering complex intracellular reactions. Here we demonstrate Transcriptionally Engineered Addressable RNA Solvent droplets (TEARS) as synthetic microdomains within the Escherichia coli. TEARS are assembled from RNA-binding protein recruitment domains fused to poly-CAG repeats that spontaneously drive liquid-liquid phase separation from the bulk cytoplasm. Targeting TEARS with fluorescent proteins revealed multilayered structures and a non-equilibrium mechanism controlling their composition and reaction robustness. We show that TEARS provide organelle-like bioprocess isolation for sequestering biochemical pathways, controlling metabolic branch points, buffering mRNA translation rates and scaffolding protein-protein interactions. TEARS are a simple and versatile tool for spatially controlling E. coli biochemistry.

Abstract Open Educational Resources (OER), freely accessible learning, teaching and research materials, have been proposed as key enabling tools to achieve inclusive knowledge societies and equitable access to education. Here, we describe novel OER consisting of low cost and locally produced public domain biological reagents, open source hardware and free software collaborative notebooks to teach LAMP DNA amplification, RT-PCR RNA detection, enzyme kinetics and fluorescence imaging. These resources have been distributed nationwide to students’ homes as a lab-in-a-box, i.e. remote teaching during the pandemic lockdowns, as well as in the form of personalized learning environments during in-person teaching after the opening of teaching laboratories. All the protocols and design files are available under open source licenses.

Abstract Rapid developments and methodological divides hinder the study of how scientific knowledge accumulates, consolidates and transfers to the public sphere. Our work proposes using Wikipedia, the online encyclopedia, as a historiographical source for contemporary science. We chose the high-profile field of gene editing as our test case, performing a historical analysis of the English-language Wikipedia articles on CRISPR. Using a mixed method approach, we qualitatively and quantitatively analyzed its text, sections and references, alongside 50 affiliated articles. These, we found, documented CRISPR’s maturation from a fundamental scientific discovery to a biotechnological revolution with vast social and cultural implications. We developed automated tools to support such research generically and demonstrated its applicability on two other scientific fields we have previously studied - COVID-19 and Circadian clocks. This method makes use of Wikipedia as a digital and free archive, documenting the incremental growth of knowledge and the manner scientific research accumulates and translates into public discourse. Using Wikipedia in this manner compliments and overcomes some issues with contemporary histories and can also augment existing bibliometric research.