A fraction of a genetically homogeneous microbial population may survive exposure to stress such as antibiotic treatment. Unlike resistant mutants, cells regrown from such persistent bacteria remain sensitive to the antibiotic. We investigated the persistence of single cells of Escherichia coli with the use of microfluidic devices. Persistence was linked to preexisting heterogeneity in bacterial populations because phenotypic switching occurred between normally growing cells and persister cells having reduced growth rates. Quantitative measurements led to a simple mathematical description of the persistence switch. Inherent heterogeneity of bacterial populations may be important in adaptation to fluctuating environments and in the persistence of bacterial infections.

The transition of cell-matrix adhesions from the initial punctate focal complexes into the mature elongated form, known as focal contacts, requires GTPase Rho activity. In particular, activation of myosin II-driven contractility by a Rho target known as Rho-associated kinase (ROCK) was shown to be essential for focal contact formation. To dissect the mechanism of Rho-dependent induction of focal contacts and to elucidate the role of cell contractility, we applied mechanical force to vinculin-containing dot-like adhesions at the cell edge using a micropipette. Local centripetal pulling led to local assembly and elongation of these structures and to their development into streak-like focal contacts, as revealed by the dynamics of green fluorescent protein-tagged vinculin or paxillin and interference reflection microscopy. Inhibition of Rho activity by C3 transferase suppressed this force-induced focal contact formation. However, constitutively active mutants of another Rho target, the formin homology protein mDia1 (Watanabe, N., T. Kato, A. Fujita, T. Ishizaki, and S. Narumiya. 1999. Nat. Cell Biol. 1:136-143), were sufficient to restore force-induced focal contact formation in C3 transferase-treated cells. Force-induced formation of the focal contacts still occurred in cells subjected to myosin II and ROCK inhibition. Thus, as long as mDia1 is active, external tension force bypasses the requirement for ROCK-mediated myosin II contractility in the induction of focal contacts. Our experiments show that integrin-containing focal complexes behave as individual mechanosensors exhibiting directional assembly in response to local force.

Resistance on a background of tolerance Bacteria survive antibiotic exposure either because they are quiescent when antibiotics are around in the highest concentrations (i.e., tolerance) or because they acquire active biochemical resistance mechanisms (i.e., resistance). Both tolerance and resistance involve the acquisition of mutations from the wild type. Levin-Reisman et al. used in vitro evolution experiments to show that populations of bacteria that become genetically resistant to the antibiotic ampicillin most quickly do so on a background of tolerance mutations (see the Perspective by Lewis and Shan). Because the probability of a tolerant organism surviving is higher, it has a greater chance of subsequently acquiring resistance mutations. Tolerance is often overlooked in the clinic but should in future be screened for and targeted more precisely to reduce the rates of acquired resistance. Science , this issue p. 826 ; see also p. 796

Abstract The persistence phenotype is an epigenetic trait exhibited by a subpopulation of bacteria, characterized by slow growth coupled with an ability to survive antibiotic treatment. The phenotype is acquired via a spontaneous, reversible switch between normal and persister cells. These observations suggest that clonal bacterial populations may use persister cells, whose slow division rate under growth conditions leads to lower population fitness, as an “insurance policy” against antibiotic encounters. We present a model of Escherichia coli persistence, and using experimentally derived parameters for both wild type and a mutant strain (hipQ) with markedly different switching rates, we show how fitness loss due to slow persister growth pays off as a risk-reducing strategy. We demonstrate that wild-type persistence is suited for environments in which antibiotic stress is a rare event. The optimal rate of switching between normal and persister cells is found to depend strongly on the frequency of environmental changes and only weakly on the selective pressures of any given environment. In contrast to typical examples of adaptations to features of a single environment, persistence appears to constitute an adaptation that is tuned to the distribution of environmental change.

Drug combinations are widely used in clinical practice to prevent the evolution of resistance. However, little is known about the effect of tolerance, a different mode of survival, on the efficacy of drug combinations for preventing the evolution of resistance. In this work, we monitored Staphylococcus aureus strains evolving in patients under treatment. We detected the rapid emergence of tolerance mutations, followed by the emergence of resistance, despite the combination treatment. Evolution experiments on the clinical strains in vitro revealed a new way by which tolerance promotes the evolution of resistance under combination treatments. Further experiments under different antibiotic classes reveal the generality of the effect. We conclude that tolerance is an important factor to consider in designing combination treatments that prevent the evolution of resistance.

In the face of antibiotics, bacterial populations avoid extinction by harboring a subpopulation of dormant cells that are largely drug insensitive. This phenomenon, termed “persistence,” is a major obstacle for the treatment of a number of infectious diseases. The mechanism that generates both actively growing as well as dormant cells within a genetically identical population is unknown. We present a detailed study of the toxin–antitoxin module implicated in antibiotic persistence of Escherichia coli . We find that bacterial cells become dormant if the toxin level is higher than a threshold, and that the amount by which the threshold is exceeded determines the duration of dormancy. Fluctuations in toxin levels above and below the threshold result in coexistence of dormant and growing cells. We conclude that toxin–antitoxin modules in general represent a mixed network motif that can serve to produce a subpopulation of dormant cells and to supply a mechanism for regulating the frequency and duration of growth arrest. Toxin–antitoxin modules thus provide a natural molecular design for implementing a bet-hedging strategy.

Bacterial persistence has been shown to be an underlying factor in the failure of antibiotic treatments. Although many pathways, among them the stringent response and toxin–antitoxin modules, have been linked to antibiotic persistence, a clear molecular mechanism for the growth arrest that characterizes persistent bacteria remained elusive. Here, we screened an expression library for putative targets of HipA, the first toxin linked to persistence, and a serine/threonine kinase. We found that the expression of GltX, the glutamyl-tRNA-synthetase, reverses the toxicity of HipA and prevents persister formation. We show that upon HipA expression, GltX undergoes phosphorylation at Ser239, its ATP-binding site. This phosphorylation leads to accumulation of uncharged tRNAGlu in the cell, which results in the activation of the stringent response. Our findings demonstrate a mechanism for persister formation by the hipBA toxin–antitoxin module and provide an explanation for the long-observed connection between persistence and the stringent response. Bacterial persistence is one of the major causes of failure of antibiotic treatment, and several toxin–antitoxin modules have been linked to the persistent phenotype. Here, the authors show that HipA toxin causes growth arrest and persistence via phosphorylation of the glutamyl-tRNA-synthetase.