ABSTRACT The self-produced biofilm provides beneficial protection for the enclosed cells, but the costly production of matrix components makes producer cells susceptible to cheating by non-producing individuals. Despite detrimental effects of non-producers, biofilms can be heterogeneous, with isogenic non-producers being a natural consequence of phenotypic differentiation processes. For instance, in Bacillus subtilis biofilm cells differ in the two major matrix components production, the amyloid fiber protein TasA and exopolysaccharides (EPS), demonstrating different expression levels of corresponding matrix genes. This raises questions regarding matrix gene expression dynamics during biofilm development and the impact of phenotypic non-producers on biofilm robustness. Here, we show that biofilms are structurally heterogeneous and can be separated into strongly and weakly associated clusters. We reveal that spatiotemporal changes in structural heterogeneity correlate with matrix gene expression, with TasA playing a key role in biofilm integrity and timing of development. We show that the matrix remains partially privatized by the producer subpopulation, where cells tightly stick together even when exposed to shear stress. Our results support previous findings on the existence of ‘weak points’ in seemingly robust biofilms as well as on the key role of linkage proteins in biofilm formation. Furthermore, we provide a starting point for investigating the privatization of common goods within isogenic populations. IMPORTANCE Biofilms are communities of bacteria protected by a self-produced extracellular matrix. The detrimental effects of non-producing individuals on biofilm development raises questions about the dynamics between community members, especially when isogenic non-producers exist within wild-type populations. We asked ourselves whether phenotypic non-producers impact biofilm robustness, and where and when this heterogeneity of matrix gene expression occurs. Based on our results we propose that the matrix remains partly privatized by the producing subpopulation, since producing cells stick together when exposed to shear stress. The important role of linkage proteins in robustness and development of the structurally heterogeneous biofilm provides an entry into studying the privatization of common goods within isogenic populations.

Abstract The bacterial type VI secretion system (T6SS) is a widespread, kin-discriminatory weapon capable of shaping microbial communities. Due to the system’s dependency on contact, cellular interactions can lead to either competition or kin protection. Cell-to-cell contact is often accomplished via surface-exposed type IV pili (T4P). In Vibrio cholerae, these T4P facilitate specific interactions when the bacteria colonize natural chitinous surfaces. However, it has remained unclear whether and, if so, how these interactions affect the bacterium’s T6SS-mediated killing. In this study, we demonstrate that pilus-mediated interactions can be harnessed to reduce the population of V. cholerae under liquid growth conditions in a T6SS-dependent manner. We also show that the naturally occurring diversity of pili determines the likelihood of cell-to-cell contact and, consequently, the extent of T6SS-mediated competition. To determine the factors that enable or hinder the T6SS’s targeted reduction of competitors carrying pili, we developed a physics-grounded computational model for autoaggregation. Collectively, our research demonstrates that T4P involved in cell-to-cell contact can impose a selective burden when V. cholerae encounters non-kin cells that possess an active T6SS. Additionally, our study underscores the significance of T4P diversity in protecting closely related individuals from T6SS attacks through autoaggregation and spatial segregation.

Bacteria in the soil compete for limited resources to survive and proliferate. One of the ways they might do this is by producing antibiotics, but the costs of antibiotic production and their low concentrations in soils have led to uncertainty about the role of these natural products for the bacteria that produce them. Here, we examine the fitness effects of streptomycin production by the filamentous soil bacterium Streptomyces griseus and the conditions that modify its ability to invade competitors. Using pairwise competion assays, we first provide direct evidence that streptomycin production enables S. griseus to kill and invade a population of the susceptible species, S. coelicolor, but not a streptomycin-resistant mutant of this species. Next we show that the fitness benefits of streptomycin production are density-dependent, because production scales positively with cell number, and frequency-dependent, with a threshold of invasion of S. griseus at around 1%. Finally, using serial transfer experiments where spatial structure is either maintained or periodically destroyed, we show that spatial structure reduces the threshold frequency of invasion by more than 100-fold, indicating that antibiotic production can permit invasion from extreme rarity. Our results provide clear evidence that streptomycin is both an offensive and defensive weapon that facilitates invasion into occupied habitats and also protects against invasion by competitors. They also indicate that the benefits of antibiotic production rely on ecological interactions occurring at small local scales, suggesting that low antibiotic concentrations in bulk soil are unlikely to be representative of their effective concentrations in nature.

Biofilms are closely packed cells held and shielded by extracellular matrix composed of structural proteins and exopolysaccharides (EPS). As matrix components are costly to produce and shared within the population, EPS-deficient cells can act as cheaters by gaining benefits from the cooperative nature of EPS producers. Remarkably, genetically programmed EPS producers can also exhibit phenotypic heterogeneity at single cell level. Previous studies have shown that spatial structure of biofilms limits the spread of cheaters, but the long-term influence of cheating on biofilm evolution is not well understood. Here, we examine the influence of EPS non-producers on evolution of matrix production within the populations of EPS producers in a model biofilm-forming bacterium, Bacillus subtilis . We discovered that general adaptation to biofilm lifestyle leads to an increase in phenotypical heterogeneity of eps expression. Apparently, prolonged exposure to EPS-deficient cheaters, may result in different adaptive strategy, where eps expression increases uniformly within the population. We propose a molecular mechanism behind such adaptive strategy and demonstrate how it can benefit the EPS-producers in the presence of cheaters. This study provides additional insights on how biofilms adapt and respond to stress caused by exploitation in long-term scenario.