Abstract In an environment with overly abundant lactose, a strain of the Gram-negative bacterium E. coli induces a persister-enriched phenotype and a heterogeneous pattern of growth rates. In high lactose conditions, the majority of cells are fast-growing, while a minority stochastically switch to a slow-growing, persister-prone phenotype that has higher ampicillin tolerance. Previously, bulk bacterial RNA-seq demonstrated broad changes in gene expression profiles for cells cultured in different lactose conditions, revealing multiple pathway regulatory regime switches enhancing its survivability for counteracting osmotic pressure in high lactose conditions with overflow metabolism. We hypothesized that a set of unique gene regulatory signatures underlies antibiotic tolerance in the high lactose condition. To further understand the gene regulatory regime in slow-growing cells, the subpopulation of persister-prone cells was enriched with ampicillin treatment. The resulting culture was collected for transcriptomic analysis. The transcriptomic data were then analyzed for differentially expressed genes, signature genes, GO term enrichment, pathway enrichment, and flux balance analysis. Our results show that under opposing stresses, the cells have similar and divergent responses. Cells exhibit upregulated assimilation pathways and downregulated biosynthesis pathways when encountering stresses. Post ampicillin treatment, cells in both high and low lactose conditions exhibit downregulated central metabolism to reduce growth. In the high-lactose concentration medium after ampicillin treatment, persisters may arise due to ferric imbalance-induced cell growth arrest and gene regulation due to ssrA -mediated downregulation-induced error-prone transcription.

Abstract Cellular responses to stress can cause a similar change in some facets of fitness even if the stresses are different. Lactose as a sole carbon source for Escherichia coli is an established example: too little causes starvation while excessive lactose import causes toxicity as a side-effect. In an E. coli strain that is robust to osmotic and ionic differences in growth media, B REL606, the rate of antibiotic-tolerant persister formation is elevated in both starvation-inducing and toxicity-inducing concentrations of lactose in comparison to less stressful intermediate concentrations. Such similarities between starvation and toxification raise the question of how much the global stress response stimulon differs between them. We hypothesized that a common stress response is conserved between the two conditions, but that a previously shown threshold driving growth rate heterogeneity in a lactose-toxifying medium would reveal that the growing fraction of cells in that medium to be missing key stress responses that curb growth. To test this, we performed RNA-seq in three representative conditions for differential expression analysis. In comparison to nominally unstressed cultures, both stress conditions showed global shifts in gene expression, with informative similarities and differences. Functional analysis of pathways, gene ontology terms, and clusters of orthogonal groups revealed signatures of overflow metabolism, membrane component shifts, and altered cytosolic and periplasmic contents in toxified cultures. Starving cultures showed an increased tendency toward stringent response-like regulatory signatures. Along with other emerging evidence, our results show multiple possible pathways to stress responses, persistence, and possibly other phenotypes. These results suggest a set of overlapping responses that drives emergence of stress-tolerant phenotypes in diverse conditions.