50
Thermal persistence in E. coli and the heat shock response Jonathan Kang Thesis advisor: Prof. Daniel Weinreich Second reader: Prof. David Rand Ecology and Evolutionary Biology A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Bachelor of Science with Honors in Applied Mathematics – Biology at Brown University April 2012

Thermal persistence in E. coli and the heat shock response · Thermal persistence in E. coli and the heat shock response ... While the use of batch culture assays has ... Only a single

Embed Size (px)

Citation preview

 Thermal persistence in E. coli and 

the heat shock response 

 Jonathan Kang 

 

 

 Thesis advisor: Prof. Daniel Weinreich 

Second reader: Prof. David Rand 

Ecology and Evolutionary Biology 

 

 

A thesis submitted in partial fulfillment  

of the requirements for the degree 

of Bachelor of Science with Honors 

in Applied Mathematics – Biology 

at Brown University 

 

 

April 2012 

TABLE OF CONTENTS

 Abstract 1  Introduction 1      Persistence: An overview  1

     The mechanism behind antibiotic persistence  5

     The connection to thermal persistence  8

     The heat shock response: An overview  10

     The rpoH gene and the synthesis and regulation of σ32  11

     The relationship between thermal persistence and the heat shock response  14

 Materials and methods 16      Experimental protocol  16

     Analysis of data  21

 Results 24      Preliminary experiments  24

     Main experiments  25

     Model selection using AIC  27

     Estimation of parameter values  28

     Incubation time and the size of colonies  29

     Heritability of the persister phenotype  32 Discussion 34      The rate of death of KY1429 over a relatively high temperature range  34

     The choice of temperatures for both strains  35

     Interpretation of the AICc values  37

     Comparison of the various estimated parameters between both strains  39

     The value of p for both strains  39

     The slower growth of colonies in samples under prolonged thermal stress  41

 Future directions 42      Are thermal persisters and antibiotic persisters the same subset of cells?  42

     How are persisters related to viable but non‐culturable cells?  43

 Acknowledgements 45  References 46  

  1

ABSTRACT

 

Persistence  is a phenomenon whereby a genetically uniform population of bacteria, when 

subjected  to  some  form  of  stress,  shows  a  biphasic  death  curve.  The  majority  of  the 

population dies at a certain exponential rate, while some small fraction dies at some slower 

exponential  rate. Persistence  is not genetic on basis, as when a  cell  that  is  identified as a 

persister is regrown, it still exhibits the same characteristic biphasic death curve. The bulk 

of  the  current  literature  investigates persistence  in  response  to  antibiotic  stress. Previous 

work in the Weinreich Lab has demonstrated that bacteria can persist against heat as well. 

This  project  studies  a  potential  mechanism  for  persistence:  the  bacterial  heat  shock 

response. Two E. coli strains: a mutant with the gene  that  is responsible for activating  the 

heat  shock  response  non‐functioning,  and  its  direct  ancestor, were  subjected  to  thermal 

stress treatments. It was found that the mutant strain still exhibited a biphasic death curve 

under  thermal stress, even as  it  lacks  the mechanism  to activate  the heat shock  response. 

These findings confirm that the phenomenon of bacterial persistence is independent of the 

heat shock response. 

 

INTRODUCTION

 Persistence: An overview

Bacterial persistence is a phenomenon first discovered  in the 1940s, when it was observed 

that  the  complete  sterilization  of  a  bacterial  culture  using  antibiotics  was  not  easily 

  2

attainable (Bigger, 1944). The term ‘persisters’ was coined by Bigger himself, and he used it 

to describe the minute fraction of the original bacterial population which had managed to 

survive the antibiotic treatment. In present terms, bacterial persistence can be described as 

the  condition  whereby  some  proportion  of  a  genetically  uniform  microbial  population 

survives exposure to a stress factor, such as an antibiotic or heat treatment (Balaban et al., 

2004). Quantitatively, persistence can be characterized by the presence of two differing rates 

of cell death upon the introduction of the stress factor. The vast majority of the cells in the 

population would die at a certain exponential rate, while the remaining small percentage of 

the  cells would  die  at  some much  slower  rate. A  characteristic  persister  death  curve  is 

shown in Figure 1. 

 Figure 1 (Gefen & Balaban, 2009): An archetypal biphasic persister death curve in response to ampicillin. 

 

The  first  portion  of  the  curve  represents  the  exponential  death  rate  of  the  non‐

persister cells, and the second portion of the curve represents the slower death rate of the 

  3

persister cells, which in this example make up approximately 1 in 102 of the total bacterial 

population. The result  is a biphasic death curve  that  is typical of persistence. It should be 

noted that presence of two separate phases is a consequence of the fact that the death rate of 

the persisters manifests  itself  in  the curve only when  the non‐persisters, which die at  the 

faster rate, have decreased to suitably low numbers. The biphasic curve is not the result of 

persister death temporally lagging behind non‐persister death, despite the fact that such an 

interpretation would be consistent with the death curve as presented. Persisters do  in fact 

start  to get killed,  albeit  at  a  slower  rate, upon  initial  introduction  of  the  antibiotic. The 

reason why  this  fails  to  register on  the overall death curve until much  later  is due  to  the 

small number of persisters in relation to entire bacterial population. 

It may be worthwhile at this point to recognize persistence as a phenomenon that is 

distinct  from  two others  that are  commonly observed  in bacteria, namely,  resistance and 

tolerance. A comparison of the death curves that are indicative of each mechanism is given 

in Figure 2. Antibiotic resistance  in bacteria  is a genetically acquired trait and can thus be 

passed on to subsequent generations. However,  it has been demonstrated that persistence 

in not heritable (Keren et al., 2004). When a sample of antibiotic persister cells that had been 

washed  and  inoculated  in  a  fresh medium was  used  to  start  another  antibiotic  assay,  a 

biphasic death curve was still observed. This result conflicts with what one would expect if 

persistence were heritable, in which case the new death curve would be monophasic, with 

the  entire  regrown  population  dying  at  the  slower  rate. Comparing  the  persistence  and 

resistance death curves, both share a common initial portion where the slopes are identical. 

  4

This death  rate  can be  taken  to be  that of  the “wild‐type” bacteria, which have  the dual 

property being cells that have yet to acquire resistance, as well as being non‐persisters.  

 Figure 2  (Gefen  &  Balaban,  2009):  Comparison  of  the  death  curves  demonstrated  by 

different mechanisms  in  response  to  the  introduction of an  antibiotic. The  first  antibiotic 

treatment  (first  purple  region)  is  followed  by  a  period  of  regrowth without  antibiotics 

(white region) and a second exposure to antibiotics (second purple region). 

 

It  is also possible  to distinguish persistence  from bacterial  tolerance. Tolerance can 

be described as  the  condition by which a bacterial population’s  sensitivity  towards  some 

specific stress factor is reduced. For example, if a strain of bacteria is tolerant with respect to 

ampicillin,  then  a  larger dosage  of  the  antibiotic  is  required  to  achieve  the  same  killing 

effect as compared to a non‐tolerant strain. Equivalently, for the same dosage of ampicillin, 

the tolerant strain is killed at a much slower rate as compared to the “wild‐type”. This can 

be seen in Figure 2, where the tolerance death curve is much less steep as compared to the 

initial portion of both the resistance and persistence curves. Finally, an additional point to 

note  is  that  the  tolerance  death  curve  fails  to  exhibit  the  biphasic  pattern  that  is 

characteristic of persistence. 

  5

The mechanism behind antibiotic persistence

Although  antibiotic  persistence  in  bacteria  has  been  recognized  for  more  than  half  a 

century, the actual mechanism behind how it operates remains unknown to a large extent. 

Given that all the cells in a bacterial population containing some small fraction of persisters 

are  genetically  identical,  it  could  perhaps  be  inferred  that  there must  be  some  form  of 

physiological  stochasticity  involved  in  how  persistence  operates.  It  has  been  suggested 

early  on  that  persister  cells  exist  in  some  kind  of  dormant  state  (Bigger,  1944).  Under 

present understanding, the notion of dormancy can be characterized by the downregulation 

of  biosynthetic pathways,  and  the diminished growth  of persisters  as  compared  to  their 

“wild‐type” counterparts under normal, non‐stressful, conditions (Lewis, 2006). As a trade‐

off, dormant persister  cells  are  then  able  to withstand  the  introduction  of  various  stress 

factors better. Recent  experiments have  lent  credence  to  this high‐level understanding of 

how persistence functions. 

While the use of batch culture assays has allowed for persistence to be described at 

the population level, it is difficult to delve deeper into understanding its actual mechanism 

just  through  experiments  of  this  sort. However,  the  advent  of microfluidic  devices  has 

facilitated the observation of single bacteria before, during, and after the introduction of a 

stress  factor  in a way  that allows more robust conclusions  to be drawn. The result of one 

such  experiment  is  given  in  Figure  3, which  is  a  time‐lapse  image  of  E.  coli  expressing 

yellow fluorescent protein growing on a microfluidic device with narrow grooves (Balaban 

et al., 2004). During growth, each individual bacterium gave rise to a separate linear colony 

  6

which  lengthens over  time, as  can be  seen  in  the  first  three panels of Figure 3. When an 

antibiotic  (ampicillin,  in  this  case) was  introduced, most  of  the  cells were  killed,  as  is 

evident  in  the  fourth panel. Only a  single  cell,  indicated by  the  red arrow and presently 

identified as a persister, managed  to survive  the ampicillin  treatment. When  the persister 

cell  is  traced back  to  the  first  three panels,  it  is clear  from  the weaker  fluorescence  that  it 

had experienced a lack of growth under normal conditions in the growth medium, during 

which most of the other cells were actively dividing. However, after the ampicillin had been 

cleared and a fresh batch of growth medium was  introduced, the persister cell appears to 

have left its previous state of dormancy and resumed normal growth, as can be observed in 

the final two panels of Figure 3. 

 Figure 3  (Balaban  et  al.,  2004):  Time‐lapse  experiment  of  bacteria  expressing  yellow 

fluorescent protein. Times are indicated at the top of each panel in hours and minutes. 

 

This experiment demonstrates the stochastic nature of the process by which bacteria 

cells enter and  leave a state of persistence. The authors conclude  that  the phenomenon of 

persistence  is  associated with  the  heterogeneity  in  the  growth  rates  of  individual  cells 

  7

within  the  entire  bacterial  population.  This  can  be  attributed  to  the  fact  that  cells with 

reduced growth rates will be less sensitive to antibiotics that target the cellular replication 

machinery.  Ampicillin,  which  belongs  to  a  class  of  antibiotics  known  as  β‐lactams, 

functions  in  precisely  such  a  manner.  β‐lactams  act  by  inhibiting  the  synthesis  of  the 

peptidoglycan layer of bacterial cell walls, causing dividing cells to shed their cell walls and 

fail to divide, forming instead fragile spheroplasts that are vulnerable to lysis (Fisher et al., 

2005). Dormant, non‐dividing, cells would therefore be less susceptible to ampicillin’s mode 

of action, conferring them a lower death rate in its presence, and ultimately manifesting as 

observable persistence. 

The question then becomes how is such a stochastic transformation into and out of a 

dormant state achieved. One possible approach  to  this problem  is  to perform a knockout 

screen  to determine  if the  loss of any one specific gene results  in the absence of antibiotic 

persisters  in  that particular mutant population.  It was  found  that  several different genes 

might be implicated in the generation of antibiotic persisters, thus painting a picture that is 

considerably  more  complicated  than  if  the  trait  were  monogenic  (Lewis,  2010). 

Furthermore,  the  screen  did  not  produce  any  single  mutant  that  completely  lacked 

persisters,  suggesting  some degree  of  redundancy  in  the mechanism  for  their  formation 

(Hansen et al., 2008). Among the genes that were identified, the majority of them are global 

regulators such as DnaKJ, HupAB, IhfAB and DksA. A list of the candidate persister genes 

and  their pathways of action  is given  in Figure 4. The  fact  that many of  these genes are 

global  regulators  is  yet  another  aspect  of  redundancy,  as  a  global  regulator  can 

  8

simultaneously  affect  the  expression  of many  different  persister  genes, which would  all 

contribute to the presence or absence of the persister phenotype (Lewis, 2010). 

 Figure 4  (Lewis, 2010): The various  redundant  candidate pathways of antibiotic persister 

formation. 

 

The connection to thermal persistence

Previous  literature,  as  well  as  prior  work  performed  in  the  Weinreich  Lab,  has 

demonstrated that in addition to antibiotic stress, bacteria do persist against thermal stress 

as well (Humpheson et al., 1998). Figure 5 shows the results of two sets of experiments, in 

which a population of bacteria of the E. coli C strain were challenged with ampicillin and 

heat  respectively.  A  biphasic  curve was  observed  in  both  cases,  suggesting  persistence 

being in effect. One specific point to note is the time scale on the horizontal axis, which is in 

hours  in  the  case of  the  ampicillin  assay, and minutes  in  the  case of  the heat assay. The 

difference  in  the rate of death can be attributed  to  the  inherent disparity  in how stressful 

each particular  treatment  is  to  the population.  In  this case, as  it usually  is  in general,  the 

heat treatment eliminates the bacteria more quickly than the ampicillin treatment does. 

  9

 Figure 5: Death curves exhibiting persistence under both antibiotic and thermal stress. The 

former is due to previous work by Robin Zelman, and the latter is due to previous work by 

Nicole Damari and Ayoosh Pareek. 

 

A natural question to ask at this point is if antibiotic and thermal persistence operate 

under similar mechanisms. Looking at Figure 5 again, when one traces the point at which a 

death  curve  transitions  into  the  second,  slower,  phase  back  to  the  vertical  axis,  that 

particular value can be taken to represent the proportion of the bacterial population that are 

persisters. There  are  then  significantly more  antibiotic persisters  in  this  population  than 

there are  thermal persisters, which would not have been  the case  if  their modes of action 

were identical. This naturally prompts one to question how thermal persistence functions, 

and in what ways it differs from antibiotic persistence. 

Incidentally,  the  DnaKJ  regulator,  which  was  found  to  be  implicated  in  the 

generation of antibiotic persisters, are also molecular chaperones  that constitute part of a 

cellular machinery  for  the  repair  of heat‐induced protein damage  (Schröder  et  al.,  1993). 

  10

Apart from that, DnaK and DnaJ also belong to a class of proteins known as the heat shock 

proteins, which are a group of roughly twenty proteins which have their syntheses induced 

by a  temperature upshift. This  induction of  the heat shock proteins  in known as  the heat 

shock response. The fact that the DnaKJ regulator is involved in both antibiotic persistence 

and the heat shock response should prompt one to consider the arguably more obvious link 

between thermal persistence and the heat shock response. This connection is strengthened 

by the fact, as will be seen  in the next section, that the time scale at which the heat shock 

response operates (2 to 4 minutes) is comparable to that of thermal persistence (Connolly et 

al., 1999). 

 The heat shock response: An overview

Although  named  as  such,  the  heat  shock  response  is  not  just  triggered  as  a  reaction  to 

elevated temperatures. It is also brought on by a large variety of stress conditions, including 

the presence of metabolically harmful substances, as well as oxidizing conditions (Arsène et 

al.,  2000).  In E.  coli,  a  temperature upshift  from  30  to  42°C  causes  a  rapid, up  to  15‐fold 

induction  in the synthesis of the various heat shock proteins, which  is then followed by a 

period of adaptation where  the rate of heat shock protein synthesis decreases such  that a 

new  steady  state  is achieved  (Bukau, 1993). The major heat  shock proteins are molecular 

chaperones and proteases. DnaK and DnaJ,  together with GrpE, constitute one of  the  two 

major chaperone systems in E. coli, with the other being the GroE chaperone system, which 

is  made  out  of  yet  another  set  of  heat  shock  proteins.  These  chaperone  systems  are 

considered  important because  they make up 15‐20% of  the  total protein  in E. coli at 46°C, 

  11

indicating  the major  role  they  play  in  cell  survival  in  conditions  of  temperature  stress 

(Georgopoulos et al., 1994). Molecular chaperones are vital  in ensuring  the correct  folding 

and  assembly of proteins. Presumably,  such  a  function becomes  even more  important at 

higher temperatures, as proteins become  increasingly unstable and are unable to correctly 

form their proper, functional structures. 

The heat shock response in E. coli is positively regulated at the transcriptional level 

by  the  σ32  protein, which  is  the  product  of  the  rpoH  gene,  and  is  also  the  heat  shock 

promoter‐specific  subunit  of RNA polymerase  (Gross,  1996).  σ32  is  required  for  both  the 

induced expression, as well as  the uninduced, basal expression of  the various heat shock 

genes. The cellular concentration of σ32 is extremely low under steady state conditions (10‐

30 copies per cell at 30°C), and is the limiting factor for the transcription of heat shock genes 

(Craig & Gross, 1991). The heat shock response comes about as the consequence of a rapid 

increase  in  σ32  levels,  leading  to  an  upsurge  in  heat  shock  gene  transcription  and  the 

production  of  heat  shock  proteins.  Regulation  of  the  heat  shock  response  through  the 

variation  of  σ32  levels  in  the  cell  is  a  fairly  rapid  process,  and  thus  allows  for  E.  coli  to 

respond quickly to sudden occurrences of stress. 

 

The rpoH gene and the synthesis and regulation of σ32

As previously described,  the  σ32 protein  is a product of  the  rpoH gene. The  regulation of 

rpoH  transcription  is  complex,  and  has  only  a minor  effect  on  the  amount  of  σ32  that  is 

eventually  synthesized.  On  the  other  hand,  the  stress‐dependent  changes  in  σ32  levels 

  12

appear  to be much more dependent on  the  changing  rates of  translation of  rpoH mRNA. 

rpoH  translation  is  repressed  under  steady  state  conditions, which  accounts  for  the  low 

cellular  concentration of  σ32 when  circumstances  are  favorable. However,  2  to  4 minutes 

after a temperature upshift from 30 to 42°C, a corresponding 12‐fold increase in the level of 

translation occurs. When  the  stress  factor  is  removed,  translation  is once again  repressed 

during  the shut off phase of  the heat shock  response, until a new steady state  is  reached 

(Connolly  et  al.,  1999). This  system of  rpoH  translation  control  is mediated biochemically 

through  distinct  mechanisms  involving    three  cis‐acting  elements  of  the  rpoH  coding 

sequence (Nagai et al., 1991). 

Apart  from  transcriptional  and  translational  elements,  variations  in  σ32  levels  are 

also affected by the stability of the protein itself (Connolly et al., 1999). During steady state 

growth,  σ32  has  an  extremely  short  half‐life  of  less  than  1 minute. Upon  a  temperature 

upshift  from 30  to 42°C,  σ32 becomes  transiently  stabilized at  least 8‐fold, up  to  the point 

when the heat shock response begins to get shut off. A protease that  is responsible for σ32 

degradation  is  the  ATP‐dependent  zinc‐metalloprotease,  FtsH.  FtsH  is  an  integral 

cytoplasmic  membrane  protein,  and  has  an  active  site  which  shares  a  high  sequence 

homology with  the  conserved  family  of AAA  (ATPases Associated with diverse  cellular 

Activities) proteins. The degradation  of  σ32  by  FtsH  is  evidenced  by  the  fact  that  in  the 

absence FtsH, σ32  is completely stabilized  in vivo, with a half‐life of 2 hours (Tatsuta et al., 

1998). Figure 6 gives a schematic representation of the E. coli heat shock regulon, involving 

the various control processes that have just been described. 

  13

 Figure 6 (Arsène et al., 2000): The E. coli heat shock regulon, representing the biochemical 

mechanisms behind the control of the heat shock response.  

 

In addition, there is also evidence to suggest that some form of feedback inhibition is 

at work in the regulation of σ32 levels. Specifically, DnaK and DnaJ, which were previously 

described  as  heat  shock  proteins  whose  production  is  regulated  by  σ32,  have  the 

supplementary role of regulating  the activity of σ32 and preventing even more heat shock 

proteins from being generated when they are not needed. This aids in the establishment of 

appropriate heat shock protein levels after cells have recovered from stress treatment, and 

also helps maintain the homeostasis of heat shock gene expression. The fact that σ32 activity 

can be modulated in such a manner is due in part to the reversible association of DnaK and 

DnaJ  to σ32, which  inhibits heat shock gene  transcription activity  (Buchberger et al., 1999). 

Regulation models have proposed that the induction of the heat shock response by σ32 after 

stress treatment relies of the sequestration of DnaK and DnaJ through their binding to the 

  14

misfolded proteins that have accumulated as a result of the treatment. Once such proteins 

have either been refolded or degraded, DnaK and DnaJ become unbounded, and can then 

bind to σ32 and aid in the shutting down of the heat shock response (Craig & Gross, 1991). 

 The relationship between thermal persistence and the heat shock response

Bacterial persistence  and  the heat  shock  response  appear,  at  least  initially,  to be distinct 

processes  that operate  independently of  each other. Although  they  are both mechanisms 

that facilitate self‐preservation when bacteria undergo stressful conditions, their seemingly 

differing modes of action do not lend credence to the suggestion that the persistence can be 

explained by  the heat shock response. While persistence has been  traditionally studied  in 

the  context  of  antibiotic  stress,  past  results  from  the Weinreich  Lab  have  indicated  that 

persistence does in fact also manifest itself under conditions of thermal stress, albeit, as seen 

previously, on a different time scale. Going back to the question raised earlier, it would be 

interesting to see if any connections can be drawn between thermal persistence and the heat 

shock response. In the broadest sense, the issue then is if the action of the rpoH gene and σ32 

protein, which is responsible for the production of heat shock proteins and the initiation of 

the heat shock response, is also ultimately the cause of thermal persistence observed. 

There are several reasons why this hypothesis deserves further study. First, it is clear 

that the heat shock mechanism as mediated by the rpoH gene and σ32 protein constitutes a 

complex regulatory framework, with controls at the transcriptional and translational levels, 

as well as factors such as protein stability and feedback inhibition all playing a part in the 

fine  regulation  of  the  process.  It  should  also  be  noted  that  apart  from DnaK  and DnaJ, 

  15

under conditions of stress, σ32 also induces the expression of many other heat shock genes. 

It is thus not inconceivable that persistence can arise as a consequence of the action of some 

specific component within the totality of a complicated system such as this. A further point 

to make  in  this  regard  is  that  persistence  has  been  shown  to  exist  under  at  least  two 

different  stress  conditions  (antibiotics  and  heat).  Since  the  heat  shock  response  is  also 

activated  as  a  reaction  to  a wide  variety  of  unfavorable  circumstances,  there  is  basis  to 

conjecture that both phenomena could be connected. 

On  top  of general  theoretical  considerations  regarding  the  complexity  of  the heat 

shock  response,  there  are  also  reasons  borne  out  by  actual  experimentation  to  consider 

persistence and the heat shock response as being related processes. As pointed out earlier, a 

knockout screen that was performed to identify the genes that are ultimately responsible for 

the  persister  phenotype  points  to  the DnaKJ  system,  among  others,  as  being  a  possible 

candidate.  Since DnaK  and DnaJ  constitute  an  integral  part  of  the  heat  shock  response 

pathway, there is then reason for studying the relationship between both systems in closer 

detail.  Finally,  results  of  previous  experiments  conducted  in  the  Weinreich  Lab  have 

indicated  that  the  time  taken  for  the bacteria death  curve  to  switch  to  the  slower  second 

phase when subjected to thermal stress is in the neighborhood of 4 minutes, which is to an 

approximation  the point  in  time when  the heat  shock  response  gets  activated. Based  on 

these observations, a series of experiments was conducted to further explore the effect that 

the activation of the heat shock response has on thermal persistence. 

 

  16

MATERIALS AND METHODS

 Experimental protocol

The aim of these experiments is to find out how bacteria which lack the ability to initiate the 

heat  shock  response  react  to  conditions of  thermal  stress. Specifically,  the question  to be 

asked  is  if  such  bacteria  still  exhibit  the  biphasic  death  curve  that  is  characteristic  of 

persistence. To this end, two strains of bacteria were obtained from the Coli Genetic Stock 

Center  (CGSC)  at  Yale University.  The  KY1429  strain  (CGSC#:  6934)  is  a  heat‐sensitive 

strain with  a mutation  in  the  rpoH  gene, which  is,  as mentioned  previously,  the  gene 

responsible  for  producing  the  σ32 protein, which  in  turn  regulates  the  transcription  of  a 

variety of heat shock genes. This strain is then lacking the heat shock response. As a control, 

the direct ancestor of KY1429,  the MC4100  strain  (CGSC#: 6152), was also obtained  from 

CGSC.  This  strain  does  not  have  a mutation  in  the  rpoH  gene,  and  is  therefore  able  to 

activate the heat shock response. The outcome of the thermal stress experiments on KY1429 

will  be  compared  to  the  same  set  of  experiments  on MC4100  so  as  to  ensure  that  any 

difference in results is due solely to the lack of a functioning rpoH gene in KY1429. 

The experimental protocol is for the most part identical for both strains. However, as 

KY1429 is heat‐sensitive, all steps involving incubation were performed at 25°C, as opposed 

to 37°C for MC4100, which is the standard for most other strains of E. coli. In each run of the 

experiment, a single colony of bacteria was  incubated overnight  in some volume of Difco 

LB Broth Lennox, which varied according to how much culture was actually needed for a 

particular run. Initial testing had indicated that there is no appreciable difference between 

  17

using cells in stationary phase as opposed to cells in exponential phase. This is in contrast to 

an antibiotic assay, where cells in exponential phase, presumably because they are actively 

dividing, are much more susceptible  to  the effects of  the antibiotic as opposed  to cells  in 

stationary  phase.  This  is  yet  another  reason  to  suspect  a  difference  in  the mechanisms 

responsible  for  antibiotic  and  heat  persistence. Therefore,  in  this  protocol,  the  overnight 

culture  is not diluted and grown back up  to exponential phase before being used  for  the 

experiment. 

However, because the initial killing phase thermal stress treatment eliminates a large 

proportion  of  the  bacteria  present  at  the  beginning  of  the  experiment,  using  just  the 

overnight culture would fail to provide the full resolution of the death curves’ dynamics. By 

the  time  the curve  transitions  into  the subsequent, slower, phase,  there would be  too  few 

bacteria  remaining  to provide  an  accurate  count. Thus,  there  is an  additional  step  in  the 

protocol  to  obtain  a  higher  concentration  of  bacteria.  To  accomplish  this,  the  overnight 

culture was placed  in 50ml  centrifuge  tubes and  centrifuged at 4000  rpm and 4°C  for 20 

minutes.  When  this  was  completed,  the  supernatant  was  discarded  and  the  pellet 

resuspended with 0.5ml of LB. 100μl of this concentrated culture was then dispensed  into 

PCR tubes. Completing this process increases cell concentration by about 100‐fold. 

As  a  starting  point,  preliminary  experiments  were  conducted  over  a  range  of 

temperatures (54.8°C to 61.2°C)  in order  to get a general  idea of what the death curves of 

both  strains  look  like within  the  range. The outcomes of  these experiments are  shown  in 

Figures  7a  and  7b.  Based  on  these  results,  the main  experiments  were  performed,  for 

  18

purposes of data collection, at 56.5°C and 58.5°C  for KY1429 and MC4100 respectively. A 

PCR machine was utilized to attain conditions of thermal stress, with the temperature of the 

lid  set  to  85°C  and  the  temperature  of  the  block  set  initially  to  20°C.  The  PCR  tubes 

containing the concentrated cells were then loaded onto the machine and the block ramped 

up  to  the  required  temperature, a process  that  took about 10  seconds. Once  the  requisite 

temperature was reached, timing began and the first sample (t = 0) was removed from the 

PCR machine and immediately placed on ice. Subsequent samples were each removed from 

the machine at one‐minute intervals, for a total duration of 15 minutes. 

 Figure 7a: Death curves for MC4100 over a range of temperatures. 

 

  19

 Figure 7b: Death curves for KY1429 over a range of temperatures. 

 

The next part of  the protocol consists  in  trying  to determine  the number of colony 

forming units (CFUs) per ml left in the culture after each specific duration of thermal stress. 

Due to the fact that the culture in the PCR tube may contain a high concentration of cells, it 

cannot  be  plated  directly  on  a  LB  agar  plate  and  still  produce  a  countable  number  of 

colonies. In addition, it is difficult to determine a priori the exact order of dilution that must 

be  performed  in  order  for  a  sample  that  is  plated  to  be  countable.  To  address  these 

problems, a method known as spot‐titering was used. Wells  in a 96‐well plate were  filled 

with  180μl of LB, and 20μl of  the post‐experimental  culture  in  the PCR  tubes were  each 

placed into one of the wells, thus making a ten‐fold dilution. Following this, successive ten‐

fold dilutions were obtained by pipetting 20μl of liquid from each of those wells into a new 

set of wells with 180μl of LB. This process of serial dilutions was repeated a  total of nine 

times. This process was facilitated by the use of a 12‐channel multichannel pipette. 

  20

10μl of liquid in each of the wells was then spot‐titered on a LB agar plate. Together, 

they  represent  the  full  range  of  dilutions  for  each  time  point.  The  plates  that  contain 

MC4100  samples  were  incubated  at  37°C  overnight,  while  those  that  contain  KY1429 

samples  were  incubated  at  25°C  for  about  36  hours.  These  represent  the  minimum 

incubation times, which in reality ended up being much longer as a result of circumstances 

that will be described in the results section. After incubation, the colonies that have formed 

on  the  plates  are  scored.  For  each  time  point,  the  spot where  the  colonies  first  become 

countable  is  counted,  and  that  number  can  be  extrapolated  to  determine  the  original 

concentration of cells in CFUs/ml. 

In  the  initial  conception  of  this  experiment,  based  on  the  results  of  spot‐titering, 

suitable  dilutions  from  each  time  point would  be  plated  on  full  plates  to  obtain more 

accurate counts. This could only be done at least one day after the thermal stress part of the 

protocol had been completed, and  the samples were stored at 4°C during  the  intervening 

period. However,  it was  found  that  plating  from  the  day‐old  samples  did  not  produce 

viable colonies. Therefore, for the actual collection of data in the main experiment, 100μl of 

two appropriate dilutions  (or 50μl  if plating directly  from  the post‐experimental  culture) 

from each time point were plated on full plates immediately after the cells had undergone 

heat  treatment.  The  specific  dilutions  chosen  were  informed  by  previous  spot‐titering 

results. The data were then plotted onto a graph, with the x‐axis being the time exposed to 

thermal stress in minutes, and the y‐axis being CFUs/ml on a logarithmic scale. 

 

  21

Analysis of data

Three replicates of the experiment were performed for each of the two strains. Due to the 

fact that each replicate began with a different bacteria count, the raw data, originally given 

in  CFUs/ml,  was  first  converted  into  percentage  survival  before  it  was  analyzed.  This 

ensures  that  the data  across  the  replicates  are  comparable. The  first  step  of  the  analysis 

consisted  of  applying  a  simple  linear model  to  the  data  points, which was  done  using 

MATLAB. The  two parameters being estimated are α,  the slope; and β,  the y‐intercept of 

the line. There is also a residual sum of squares (RSS) value associated with this regression, 

which is a measure of the discrepancy between the data and the estimation model. A small 

RSS  value  indicates  a  tight  fit  of  the model  to  the  data.  This  simple model  serves  as  a 

baseline to which the more complicated biphasic model can be compared against. 

The second step of the analysis involved applying a biphasic model to the same set 

of data points. Under this model, there are five parameters being estimated: α1 and β1, the 

slope and y‐intercept of the line representing the initial, exponential, death rate; α2 and β2, 

the slope and y‐intercept of the line representing the subsequent, slower, death rate; and γ, 

the  point  in  time when  the  first phase  transitions  into  the  second phase. A multi‐phase 

linear regression was applied to fit the model to the data. What this eventually amounted to 

was dividing the set of points into two segments, and fitting a simple linear model to each 

segment. 

Although  this  regression  method  seems  to  be  no  qualitatively  different  from  a 

simple  linear  regression,  the presence  of  the  γ  variable  renders  this problem non‐linear. 

  22

This  is due  to  the  fact  that  the biphasic  curve,  in  its  entirety,  is non‐differentiable  at  the 

point of transition between the two phases. Therefore, a simple expansion upon the method 

used  to  find a simple  linear  regression  fit  is  insufficient  for  this purpose, and an analytic 

method of  solution was  eschewed  for  a  computational  one. A MATLAB  script has  been 

written  for  this  purpose  by  Andy  Ganse  from  the  Applied  Physics  Laboratory  at  the 

University  of  Washington,  and  was  downloaded  from  http://staff.washington.edu/ 

aganse/mpregression/mpregression.html.  It  returns  the maximum  likelihood estimated  fit 

to  the data based on a biphasic model. As with  the case of  fitting a simple  linear model, 

there is also a RSS value that is associated with this multi‐phase linear regression. 

In order to show evidence of persistence in both the KY1429 and MC4100 strains, the 

goodness of fit of the biphasic model needs to be compared with that of the linear model. If 

the former fits the data better than the  latter, then there  is support for the conclusion that 

there is in fact persistence. If not, a simple log‐linear death rate would then be the preferred 

explanation for the observed data. Usually, when comparing models with the same number 

of  parameters,  say,  for  example,  two  linear models,  the  RSS  value would,  by  itself,  be 

sufficient  to determine which model has  the best  fit. However,  in  this case, a model with 

five parameters  is being  compared  to  a model with  two parameters, with  the  additional 

complication  of  the  former  being  non‐linear.  Generally,  the  more  parameters  some 

particular models appeals to, the better the resulting fit will be. Yet, overfitting, which is the 

situation whereby more  parameters  than  strictly  necessary  are  invoked  by  virtue  of  the 

  23

model choice, should be avoided. To accomplish this, there needs to be some sort of penalty 

that comes with the use of additional parameters. 

As a tool for model selection that takes into account both the goodness of fit and the 

number  of  parameters,  the Akaike  Information Criterion  (AIC)  can  be  applied  (Akaike, 

1974). In its most general form, 

AIC 2lnL 2k ,                  (1) 

where  L  is  the  maximum  likelihood  of  the  estimated  model  and  k  is  the  number  of 

parameters in the model. If the model is a good fit to the data, then the value of L would be 

high. Therefore, models with  low AIC values are  favored over models with higher ones. 

The AIC calculation can be performed for a set of models, and the one with the lowest AIC 

value is deemed the most supported. The exact application of AIC to the data collected for 

this project,  involving  the use of RSS values  to calculate  the  likelihoods of  the models, as 

well as the application of a bias adjustment for small samples, is deferred until the results 

section. 

There  are  some  general  comments  that  can  be made  about  how  using AIC  as  a 

means  for  model  selection  differs  from  traditional  hypothesis  testing,  where  a  null 

hypothesis  is  rejected  (or  not)  in  favor  of  an  alternative  hypothesis  based  on  some 

significance value  that  is calculated. AIC does not provide  information about how well a 

model  fits  the data  in an absolute sense,  in  the way  that hypothesis  testing using p‐values 

does.  Instead, AIC  compares  how  good different models within  a  set  are  relative  to  one 

another. This necessarily means that models that are not present in the set are not taken into 

  24

account. For example, for the purposes of this project, since a triphasic model is not being 

considered, AIC does not say anything about how good it is in comparison to the linear and 

biphasic models. A further  implication  is that AIC will pick one model as estimated to be 

the  “best”,  even  if  none  of  the  models  are  good  in  the  absolute  sense  (Burnham  & 

Anderson,  2002).  Therefore,  there  should  be  some  prior,  well‐founded  rationale  in  the 

selection of the set of models. In this case, the linear model was picked because it represents 

the result that should be expected if the lack of the heat shock response does indeed ablate 

persistence,  and  the  biphasic model was  chosen  precisely  because  it  is  how  one would 

observe for persistence. 

 

RESULTS

 Preliminary experiments

To  identify  the  most  suitable  temperatures  at  which  the  main  experiments  should  be 

conducted,  two  preliminary  experiments,  one  each  for  KY1429  and  MC4100,  were 

performed,  applying  essentially  the  same  protocol.  Eight  temperature  points  between 

54.8°C to 61.2°C were used, and thermal stress was only applied for 7 minutes, due to space 

limitations in the PCR machine. The results for MC4100 and KY1429 were given in Figures 

7a and 7b respectively. 

It is clear that temperature does have a significant effect on the steepness of the slope 

in  the  initial,  exponential,  phase,  as well  as  on  the  point  in  time when  the death  curve 

transits  into  the  subsequent,  slower, phase. However,  in  some  cases,  the  transition  is not 

  25

apparent due  to  limitations on  the resolution of spot‐titering.  In addition,  for most of  the 

curves,  the  slope  of  the  subsequent  phase  is  not  readily  observable,  as  the  preliminary 

experiments were terminated after just 7 minutes. As a result, no robust conclusions can be 

drawn about how the steepnesses of the second phase slopes extend beyond 7 minutes. 

It  is  also  obvious  that  there  are  differences  between  how  the  collection  of  death 

curves  look  in  the  case  of MC4100  in  contrast  to  KY1429. On  a  general  level, MC4100 

appears  to  withstand  the  thermal  stress  treatment  better  than  KY1429,  with  shallower 

slopes in the initial phase when comparing across the same temperatures. Presumably, this 

is due to KY1429 lacking the rpoH gene, as that is the only genetic difference between both 

strains. However,  there  is  a  case  to  be made  that  this difference  as  observed  is  actually 

smaller  than  expected. A more  detailed  explanation  as  to why  this  is  so  follows  in  the 

discussion section. 

Ultimately,  the  purpose  of  the  preliminary  experiments  is  to  help  with  the 

identification of suitable  temperatures at which  the main experiments could be run. After 

observing  the shape of  the death curves across  the  temperature  range, 58.5°C and 56.5°C 

were selected for MC4100 and KY1429 respectively. There were several considerations that 

went into this decision, which will be examined in greater depth in the discussion section. 

 Main experiments

To  ensure  the  robustness of  the data,  three  replicates were performed  for  each  strain.  In 

order for the results across the replicates to be comparable, the CFUs/ml value at each time 

point was divided by the CFUs/ml value at t = 0 to obtain the percentage survival. Also, the 

  26

duration  of  the  thermal  stress  treatment  was  extended  to  15  minutes.  The  results  for 

MC4100 (at 58.5°C) and KY1429 (at 56.5°C) are given in Figures 8a and 8b respectively. In 

addition,  the average percentage survival  for each  time point across all  three replicates at 

each was  calculated,  and  both  biphasic  and  linear  death  curves  are  fitted  to  the  set  of 

average points, using  the  techniques  that were previously discussed  in  the materials and 

methods section. 

 Figure 8a: Death curves across three replicates for MC4100 at 58.5°C, and the average of the 

replicates. Both biphasic and linear models are fitted using the average set of points.  

 

  27

 Figure 8b: Death curves across three replicates for KY1429 at 56.5°C, and the average of the replicates. Both biphasic and linear models are fitted using the average set of points. 

 

Model selection using AIC

In the materials and methods section, a general sketch of how AIC works was given. Here, 

the specifics of how this statistical approach is applied to both models under consideration 

are presented. First, recall that in its most general form, 

AIC 2lnL 2k ,                  (1) 

where  L  is  the  maximum  likelihood  of  the  estimated  model  and  k  is  the  number  of 

parameters  in the model. Furthermore,  if one assumes that all models within the set have 

normally distributed errors with a constant variance, then 

AIC n ln(RSS

n) 2k ,                (2) 

 

where n is the total number of sample points and RSS is the residual sum of squares value 

for a particular model. RSS/n  is  the maximum  likelihood estimator  for σ2,  the population 

  28

variance  (Burnham & Anderson,  2002).  In  both  the  linear  and  biphasic models,  the RSS 

values  can  be  easily  obtained.  Hence,  for  the  analysis,  AIC  will  be  calculated  will  be 

calculated with Equation 2. An important point to note is that because σ2 is estimated, the 

value of k must account for an extra parameter. 

Finally, because the sample sizes  in this case are small, a second‐order  information 

criterion known as AICc should be applied to reduce the bias associated with the existence 

of  too  many  parameters  in  relation  to  the  sizes  of  the  samples  (Sugiura,  1978).  The 

application of this correction results in the equation 

AICc AIC 2k(k 1)

n k 1.                (3) 

The  usage  of  AICc  is  recommended  over  when  the  ratio  n/k  is  small  (<  40).  If  n/k  is 

sufficiently  large,  the difference between AIC and AICc will diminish and  they will both 

tend to produce values that are relatively similar (Burnham & Anderson, 2002). 

 Estimation of parameter values

As previously discussed, the linear model contains two parameters: α and β, corresponding 

to  the  slope  and  y‐intercept  of  the  line  respectively.  The  biphasic model  contains  five 

parameters:  α1  and  β1,  the  slope  and  y‐intercept  of  the  line  representing  the  initial, 

exponential, death  rate;  α2  and  β2,  the  slope  and  y‐intercept  of  the  line  representing  the 

subsequent, slower, death rate; and γ, the point in time when the first phase transitions into 

the second phase. The parameter estimates under both models, as well as the n, k, RSS and 

AICc values of the experiments with MC4100 and KY1429, are given in Table 1. Also given 

  29

is p, the y‐value at which the curve transitions into the second phase, which is thus also the 

estimated fraction of persisters within the population. 

    MC4100  KY1429 

  n  15  16 

biphasic 

model 

k  6  6 

α1  –1.1828  –1.1881 

log(β1)  0.18742  0.43737 

α2  –0.36371  –0.31471 

log(β2)  –4.1836  –3.9700 

γ  5.3364  5.0446 

log(p)  –6.1245  –5.5582 

RSS  0.42876  0.58538 

AICc  –30.824  –31.596 

Δ  0  0 

e–Δ/2  1  1 

w  ~1  ~1 

linear 

model 

k  3  3 

α  –0.63893  –0.55560 

log(β)  –1.3277  –1.3319 

RSS  10.392  12.835 

AICc  2.6761  4.4726 

Δ  33.500  36.070 

e–Δ/2  5.3168 x 10–8  1.4709 x 10–8 

w  ~0  ~0 

Table 1: Estimated parameter values for both sets of experiments. 

 

As  mentioned, models  with  the  lowest  AIC  values  are  deemed  to  be  the  most 

supported. The discussion section will cover the exact mathematical interpretation of these 

AICc values, which involves the calculation of Δ, e–Δ/2 and w, as shown in Table 1. 

 Incubation time and the size of colonies

In  the materials  and methods  section,  there was  a  reference  to  the minimum  incubation 

time  for  bacterial  colonies  that  had  been  plated  from  the  post‐experimental  culture  (or 

  30

dilutions of it) to be visible on a LB agar plate. This was stated to be overnight at 37°C for 

MC4100,  and  36 hours  at  25°C  for KY1429. The  former  represents  the  typical  incubation 

temperature  and  duration  for  the  vast majority  of  E.  coli  strains.  For  the  latter,  a  lower 

temperature  is  required  due  to  the  heat‐sensitive  nature  of  KY1429.  Consequently,  the 

incubation  time  is  extended  because  the  reduced  temperature negatively  impacts  on  the 

rate of growth as well. 

In this project, it was found that these incubation times were sufficient for some, but 

not  all,  of  the plated  samples  to  form  visible  colonies. More  specifically,  samples which 

were  subjected  to  shorter durations of  thermal  stress  tended  to grow on  the plate much 

better than those that were exposed to the heat treatment for a longer time. As a result, only 

the  plates  from  the  earlier  time  points  had  visible  colonies  by  the  end  of  the minimum 

incubation  times. An  additional  24  hours  of  incubation was  required  for  colonies  to  be 

visible  on  the  plates  from  the  later  time  points.  Figure  9  shows  how  plates  containing 

MC4100  samples  from  two  different  time  points  (t  =  0  and  12)  look  after  overnight 

incubation, and after incubation for a subsequent 24 hours following that. 

  31

 Figure 9: Plates with samples of MC4100 from t = 0, (a) after overnight incubation and (b) after being  incubated  for another day.  (c & d) Same respective  incubation  times, but with 

samples from t = 12. 

 

It should be noted that over the additional 24 hours of incubation, the colonies from 

the  t  =  0  plate  grew  larger,  but  no  new  colonies  appeared.  Thus,  overnight  incubation 

would have sufficed for purposes of making an accurate colony count. However, since the 

extended  incubation does  in  fact matter  for plates  from  the  later  time points, all counting 

was deferred until the very end. 

 

 

 

  32

Heritability of the persister phenotype

It was previously mentioned that antibiotic persistence was found not to be heritable (Keren 

et al., 2004). A biphasic death curve was still observed when antibiotic persister cells were 

reinoculated into fresh media, and an antibiotic assay was conducted using this culture. In 

this project an analogous experiment was performed for both MC4100 and KY1429. A first 

set of experiments was conducted using the exact protocol as described in the materials and 

methods section. A thermally persistent colony was then picked from the t = 12 spot, placed 

in fresh LB, and incubated. Following that, a subsequent set of experiments was carried out, 

again using the same protocol. The comparative results for MC4100 and KY1429 are shown 

in Figures 10a and 10b respectively. The biphasic model was fitted to the data points of the 

initial culture to once again confirm persistence. The parameter estimates and n values for 

this are presented in Table 2. Since these runs are qualitatively no different from those that 

were  conducted  as  part  of  the main  experiment,  the  fitting  of  the  linear model  and  the 

exercise of comparing the relative success of both models  is dispensed with. On the other 

hand, both the linear and biphasic models were fitted to data points from the reinoculated 

culture to determine if persistence is still observable under this different set of experimental 

circumstances.  In  this  case,  the  parameter  estimates,  n,  k,  RSS  and  AICc  values  are 

presented in Table 3. 

  33

 Figure 10a: Death curves for the initial and reinoculated cultures of MC4100 at 58.5°C, with 

the  biphasic model  fitted  to  the  points  from  the  former,  and  both  linear  and  biphasic 

models fitted to the points from the latter. 

 

 Figure 10b: Death curves for the initial and reinoculated cultures of KY1429 at 56.5°C, with 

the  biphasic model  fitted  to  the  points  from  the  former,  and  both  linear  and  biphasic 

models fitted to the points from the latter. 

 

 

 

  34

    MC4100  KY1429 

  n  14  15 

biphasic 

model 

k  6  6 

α1  –1.0283  –1.0398 

log(β1)  –0.011683  0.17860 

α2  –0.20894  –0.27580 

log(β2)  –5.1189  –3.5814 

γ  6.2335  4.9214 

log(p)  –6.4214  –4.9387 

Table 2: Estimated parameter values with the initial cultures of both MC4100 and KY1429. 

 

    MC4100  KY1429 

  n  15  13 

biphasic 

model 

k  6  6 

α1  –0.86621  –1.2764 

log(β1)  –0.039717  0.10855 

α2  –0.31670  –0.36847 

log(β2)  –3.5754  –3.6633 

γ  6.4342  4.1542 

log(p)  –5.6131  –5.1940 

RSS  0.51556  1.3287 

AICc  –28.058  –3.6496 

Δ  0  0 

e–Δ/2  1  1 

w  ~1  0.98898 

linear 

model 

k  3  3 

α  –0.56037  –0.61448 

log(β)  –0.98907  –1.5263 

RSS  5.6417  10.068 

AICc  –6.4862  5.3442 

Δ  21.572  8.9938 

e–Δ/2  2.0687 x 10–5  0.011144 

w  ~0  0.011021 

Table 3:  Estimated  parameter  values  for  the  experiments  using  reinoculated  cultures  of 

both MC4100 and KY1429. 

 

It  is  clear  that  the  reinoculated  cultures  still  exhibit  a  biphasic  death  curve  upon 

thermal  stress,  thus  confirming  that  thermal  persistence  is  indeed  non‐heritable.  This 

  35

observation is validated by the AICc values calculated for both linear and biphasic models. 

Again, the discussion section will cover the mathematical interpretation of these values. 

 

DISCUSSION

 The rate of death of KY1429 over a relatively high temperature range

Before  getting  into  a  discussion  of  the  data  from  the main  experiments,  there  are  some 

interesting  things  that  can be  said about  the  results of  the preliminary  experiments. One 

relevant  observation  to make  is  how  the  death  rate  of  KY1429  compares  with  that  of 

MC4100 over the temperature range of 54.8°C to 61.2°C. It can be argued that the difference 

between  both  sets  of death  curves  is  smaller  than what  one might  expect  it  to  be. Very 

roughly speaking,  the death curve of KY1429 at a particular  temperature  is similar  to  the 

death  curve  of MC4100  at  a  temperature  that  is  just  2°C  higher.  This  is  at  least mildly 

surprising, given  that KY1429 has a mutation  in  the  rpoH gene and  lacks a  functional σ32 

protein. These results seem to suggest that a strain with a complete inability to activate the 

heat shock response is holding up almost as well as a strain whose heat shock response is 

fully functional. 

This  observation  is  compounded  by  the  fact  that  KY1429  shows  extremely  poor 

growth when  spread  on  a  LB  agar  plate  and  incubated  at  37°C, which  is  the  optimum 

temperature  for  incubating MC4100.  The  question  then  is why  a  difference  that  is  this 

significant is not translated to the case where both strains are subjected to thermal stress in 

the range of 54.8°C to 61.2°C. One possible explanation is that the efficacy of the heat shock 

  36

response is diminished once a certain threshold temperature is exceeded, to the extent that 

even a strain that is able to activate it would not fare much better than a strain that is not. 

The literature on the heat shock response cited earlier only recorded a temperature upshift 

up  to  42°C,  and  the  range  that  this  project  is  experimenting  at  clearly  surpasses  that. 

Conceptually, as the temperature gets higher, there must be a point beyond which the heat 

shock  response  is  unable  to  keep  up.  The  smaller‐than‐expected  difference  between  the 

death curves of MC4100 and KY1429 as has been observed might be the result of such an 

effect. 

 The choice of temperatures for both strains

As mentioned previously, based on  the  results of  the preliminary  experiments,  the main 

experiments were conducted at 58.5°C and 56.5°C for MC4100 and KY1429 respectively. In 

making such a choice, the primary aim was to get the death curves for both strains to be as 

similar to each other as possible so that the estimated parameters can be, to the extent that is 

allowed,  directly  comparable. Although  the  ideal  situation  is  for  the  experiments  to  be 

carried out on both strains at exactly the same temperature, the result of that would be both 

death curves having significantly different shapes.  In  fact,  the  initial expectation was  that 

the  experiments  for MC4100  and KY1429 would have  to  be  conducted  at  a  temperature 

difference  in  the  neighborhood  of  37°C  –  25°C  =  12°C, which  is much  greater  than  the 

eventual 2°C separation. It  is  the smaller‐than‐anticipated disparity  in  the death curves of 

both  strains  across  this  temperature  range  that  negates  the  need  for  the  respective 

experiments to be performed at largely disparate temperatures. 

  37

A  few  factors  were  considered  in  making  the  final  determination  of  which 

temperatures  to  run  both  sets  of  experiments  at.  First,  the  choice  of  15 minutes  as  the 

experimental time frame was informed by how the various death curves turned out in the 

preliminary  experiments.  Ideally,  persistence  should  be  observable  over  this  duration 

which the thermal stress procedure lasts for. Graphically, this translates into both phases of 

the curve being clearly visible and differentiated, with an obvious point in time where the 

initial, exponential, phase transitions into the subsequent, slower, phase. If the temperature 

is  set  too  low,  the  change  in  phase  might  only  occur  in  the  advanced  stages  of  the 

experiment,  thus  rendering  the  second phase with  fewer data points  than  is  ideal. Even 

worse,  the  transition might not even occur at all within  the 15 minutes,  thus producing a 

curve with  only  a  single  phase. Therefore,  the  temperatures  selected  should  be  suitably 

high to avoid this. 

The second consideration has to do with constraints on the degree of resolution due 

to  the  experimental  techniques  used  in  obtaining  bacterial  counts.  Spot‐titering  offers  a 

lowest  discernable  magnitude  of  103  CFUs/ml,  while  plating  directly  from  the  post‐

experimental culture can  increase that to 102 CFUs/ml. This has direct  implications for the 

situation whereby the cells, due to excessive thermal stress, are killed too quickly such that 

they all effectively die before persistence can be observed. Although  there might be some 

minute  fraction  of  bacteria  that  can  still  persist  in  the  face  of  overwhelmingly  high 

temperatures, there is no way of accounting for them given the limits on count resolution. 

Thus,  the  temperatures  chosen  should be  low enough  in order  for  the  transition  into  the 

  38

subsequent, slower, phase to occur at a bacterial concentration that can still be detected by 

the  experimental  methods.  It  is  for  these  reasons  that,  based  on  the  preliminary 

experiments, the main experiments were conducted for MC4100 and KY1429 at 58.5°C and 

56.5°C respectively. 

 Interpretation of the AICc values

Previous discussion has  introduced  the notion  that when comparing between models,  the 

one with the smaller AIC value is considered the most supported. Thus, it can be concluded 

that  the biphasic model  is  a better  choice over  the  linear model  for describing  the death 

curves of both MC4100 and KY1429. The question then is how such a general description of 

probability can be converted into a value of relative likelihood. 

To do this, first calculate the difference  in the AICc values, Δ, between a particular 

model and the model with the lowest AICc value. Then, determine e–Δ/2, which turns out to 

be proportional to the likelihood of the model given the data (Burnham & Anderson, 2002). 

Finally,  the  Akaike  weights,  w,  can  be  obtained  simply  by  normalizing  across  all 

likelihoods. The results of these calculations were presented in Tables 1 and 2. 

The  value  of w  can  be  interpreted  as  the weight  of  the  evidence  for  a  particular 

model being the best for the situation at hand, given that one of the models in the set under 

consideration must be the best model (Burnham & Anderson, 2002). In this case, there are 

only  two models under consideration, and  in both  the MC4100 and KY1429 experiments, 

the biphasic model is favored to a virtual certainty. Therefore, it can be said that persistence 

does indeed manifest itself under thermal stress for both strains. Most importantly, the lack 

  39

of the rpoH gene, and as a result the heat shock response, in KY1429 did not cause it to fail 

to exhibit persistence. Thus,  the hypothesis  that  the heat shock response  is responsible, at 

least  to  some  non‐negligible  degree,  for  thermal  persistence  is  refuted. This  is  the main 

finding at the conclusion of this series of experiments. 

With  respect  to  the  experiments  conducted  to  determine  the  heritability  of  the 

thermal  persister  phenotype,  the  biphasic model  is  still  largely  favored with  the  use  of 

reinoculated cultures – in MC4100 once again to a near certainty, and in KY1429 to a very 

high percentage of 0.98898. If thermal persistence were heritable, it should then be expected 

that  a  culture grown out of  a persistent  colony  should have  a  linear death  curve with  a 

slope that is comparable to that of the second, slower, phase in the original biphasic curve. 

However,  this  has  not  been  observed.  Instead,  the  evidence  suggests  that  subjecting  a 

reinoculated culture to thermal stress produces a biphasic death curve as well. This strongly 

points to the non‐heritability of heat persistence. 

 Comparison of the various estimated parameters between both strains

The results of the experiments have produced a set of estimated α1, α2, β1, β2 and γ values 

for the biphasic death curve of MC4100 and KY1429. Although the logical next step is to try 

to compare these values between both strains, the fact that the experiments for each of them 

were ran at a different temperature necessarily complicates any attempts at doing so. Based 

on a superficial examination, the values of α1 (–1.1828 for MC4100 and –1.1181 for KY1429) 

and α2 (–0.36371 for MC4100 and –0.31471 for KY1429) appear to be somewhat similar. One 

may  then  be  inclined  to  conclude  that  both  the  initial,  exponential,  death  rate  and  the 

  40

subsequent, slower, death rate are roughly the same  in MC4100 and KY1429. However,  it 

should  be  mentioned  that  these  values  look  comparable  in  part  because  they  were 

engineered to be such through the choice of temperatures to run each set of experiments at, 

which  in  turn was  based  on  considerations  outlined  previously. As  is  evident  from  the 

preliminary  experiments,  a  whole  range  of  death  rates  is  possible  depending  on  the 

intensity  of  the  thermal  stress  applied.  Thus,  caution must  be  exercised when  trying  to 

directly  compare  the  estimated values of  the parameters. At  the very  least,  this  series of 

experiments should be replicated at the same temperature before any firm conclusions are 

drawn. Nonetheless,  the preliminary  experiments  tentatively  suggest  that  the differences 

under such an experimental setup would be more pronounced. 

 The value of p for both strains

The  value  of  p  represents  the  proportion  of  the  total  bacterial  population  that  can  be 

classified as persisters. Nominally, the working assumption is that this number is constant 

within a particular strain. At higher temperatures, the first phase of the death curve is likely 

to be steeper, and the transition to the second phase occurs much sooner. A situation that is 

analogous  to  this  was  also  observed  in  previous  antibiotic  assays  conducted  in  the 

Weinreich  Lab, with  higher  ampicillin  concentrations  accelerating  the  initial  death  rate. 

Despite this, the value of p at which the transition occurs should, at least if the supposition 

is  true,  be  constant  across  the  range  of  temperatures.  This  is  borne  out,  albeit  in  an 

imprecise way, by  the preliminary  experiment on MC4100:  the death  curves at  the  three 

highest temperatures make the transition to the second phase at, to an approximation, the 

  41

same  value  of  p,  despite  differences  in  the  steepness  of  the  first  phase  and  the  time  of 

transition. 

Therefore, if the value of p is constant within a strain, it can then be informative to 

compare values between strains. From  the results of  the main experiments, p  for MC4100 

was found to be 5.3168 x 10–7, and p for KY1429 was found to be 2.7657 x 10–6. It is difficult 

to perform statistics on these values, due to the non‐linear nature of biphasic curve fitting. 

Nevertheless,  they  seem  to be  inconsistent with a previous  finding  that knockout  strains 

with mutations  in  the  genes  that  code  of DnaK  and DnaJ  show  a  considerable decrease 

(more  than  10‐fold)  in  the  number  of  persisters  when  subjected  to  various  antibiotic 

treatments (Hansen et al., 2008). One possible explanation for this is that because the specific 

genes that were mutated are different, both sets of results may not be directly comparable. 

In  addition,  the  fact  that  the  antibiotic  stress  was  applied  in  the  cited  experiment  as 

opposed to thermal stress in this one may have contributed to the discrepancy as well. 

 

The slower growth of colonies in samples under prolonged thermal stress

In  the results section,  it was noted  that LB agar plates containing samples  that have been 

exposed to the heat treatment for longer periods of time had to be incubated for longer than 

is  typical  before  the  colonies  grew  to  a  size  that was  visible.  There  are  a  few  possible 

explanations  for why  this might be so. First,  it could simply be  that cells  that underwent 

prolonged  exposure  to heat  are  “injured”,  and  thus  take  a  longer  time  to  replicate. This 

  42

seems  to be most straightforward reason  that can account for the slower growth  that was 

observed. 

Another possible explanation, one that bears more directly on this project, is that the 

cells remaining at the later time points, because they are persisters, have the characteristic 

of  slower  growth  under  normal,  non‐stressful  conditions.  One  caveat,  coming  from 

antibiotic  persistence,  is  that  cells  enter  and  leave  a  state  of  persistence  in  a  stochastic 

manner, and  it  is unknown  if cells are able  remain  in  the dormant  state  long enough  for 

growth to be affected to such an extent. 

 

FUTURE DIRECTIONS

 Are thermal persisters and antibiotic persisters the same subset of cells?

Traditionally, persistence in bacteria has been studied in the context of antibiotic stress. This 

project  has  demonstrated  that  bacteria  do  show  persistence  towards  heat  as  well.  The 

natural question  to  then  ask  is  if  the  thermal persisters  represent  the  same  subset of  the 

bacterial population as the antibiotic persisters. Given the incomplete understanding of the 

actual mechanism  underlying  persistence,  in  addition  to  the  fact  that  the  results  of  this 

project  suggests  that  the  heat  shock  response  is  not,  at  least  entirely,  responsible  for 

persistence,  it  appears  that  this  question  has  the  potential  of  being  resolved  in  either 

direction. 

One  interesting point  to note  is  the difference between  the proportion of antibiotic 

persisters  and  the  proportion  of  thermal  persisters  within  a  population.  The  literature 

  43

indicates that an estimated 1 in 104 to 105 cells are persistent towards antibiotics (Balaban et 

al.,  2004).  This  is  substantiated  by  the  antibiotic  death  curve with  E  coli. C  in  Figure  5. 

However,  looking at  the death curves  from  this project,  thermal persisters only make up 

approximately  1  in  106  cells within  the  bacterial population, which  is  comparable  to  the 

value  obtained  in  the  thermal  death  curve with  E  coli.  C  in  Figure  5.  Thus,  antibiotic 

persisters are about 10  to 100  times more  frequent  than  thermal persisters. This  suggests 

that  both  groups  are  not  precisely  the  same  subset  of  cells.  It  could  be  that  all  thermal 

persisters are antibiotic persisters but not vice‐versa, or it could also be that both groups are 

entirely disjoint.  Investigating  this  in  greater detail  could  perhaps  lead  to more  insights 

about how persistence manifests  itself differently  in response  to various stress conditions, 

and if a single underlying mechanism is sufficient to explain persistence in its unique forms. 

A  conceptually  simple  experiment  that  could  be  performed  to  explore  this  issue 

further  is  to  subject  cells  to  antibiotic  and  thermal  stress  simultaneously  to  see  how  the 

death curve in that case looks like. If persistence is still observed, then there is a case to be 

made for the hypothesis that there  is some overlap between the subsets of the population 

that are thermal and antibiotic persisters. This is because only cells that can persist against 

both  forms of  stress  can persist  in  such an experimental  setup. Otherwise,  if none of  the 

cells persist,  it would  then  indicate  that  the  antibiotics persisters have  succumbed  to  the 

heat, while the thermal persisters have succumbed to the antibiotics. In that case, separate 

mechanisms may be required to explain both phenomena. 

  44

However,  practically  speaking,  such  an  experimental  setup  could  prove  to  be 

technically  challenging  to  devise,  due  to  the  fact  that  antibiotics  often  lose  their 

effectiveness at high temperatures. A great deal of preliminary testing would probably need 

to  be  invoked  to  find  the  right  antibiotics  and  ranges  of  temperatures  to  carry  out  this 

experiment with. 

 How are persisters related to viable but non-culturable cells?

Growth and division form the foundation of standard microbiological methods that test for 

the existence of viable bacteria. Under such regimes, viability is equated with culturability. 

Culturability is in turn defined by the ability of a single cell to produce a population that is 

discernable on,  say, an LB agar plate  (Bogosian & Bourneuf, 2001).  It has been proposed 

that bacteria  subjected  to prolonged  stress may enter a  long‐term  survival  state  in which 

they  are  not  detectable  by  culturability  tests.  These  bacteria  are  termed  viable  but  non‐

culturable  (VBNC).  In  this model, under conditions of  stress,  the  total cell count  remains 

constant. What actually  changes  is  the  culturable  cell  count, which decreases as  the non‐

culturable  cell  count  increases.  Conventionally,  these  non‐culturable  cells  are  treated  as 

dead. However, if one accepts the VBNC hypothesis, then these cells are not dead, but are 

simply unable to give rise to a discernable population at that current point in time (Barer et 

al., 1993). 

The challenge then for proponents of the VBNC hypothesis is to propose non‐culture 

based methods to test for viability, as well as to have some way of restoring culturability to 

non‐culturable  cells  so  as  to  show  that  they were  viable  to  begin with. On  the  former, 

  45

methods such as membrane potential probes and  flow cytometry, as well as staining and 

microscopy,  can be used  to  score viability without  relying on  culturability  as  a measure 

(Barer & Harwood, 1999). On the latter, it is conjectured the presence of culturable cells may 

be required for the production of factors that trigger resuscitation in VBNC cells. In certain 

cases, other factors a temperature upshift have also been shown to restore culturability  to 

VBNC cells (Whitesides & Oliver, 1997). 

The  VBNC  state  in  bacteria  could  then  potentially  be  considered  one  particular 

manifestation of dormancy. It would be interesting to see if any potential connections could 

be drawn between VBNC  cells  and persisters, which  are dormant  in  the  sense  that  they 

exhibit slower growth rates as compared to their “wild‐type” counterparts, as can be seen 

in Figure 3. Any conjectured links would be far from straightforward, because if it were the 

case that persister cells are really just VBNC, then the fact that they are culturable on a LB 

agar  plate without  any  intervening  procedure  to  restore  culturability would  need  to  be 

explained. Nevertheless, a potential first step could be to test cells that have been identified 

as persisters, through some of the methods described above, for VBNC characteristics. 

ACKNOWLEDGEMENTS

 

I would like to first and foremost thank my thesis advisor Prof. Dan Weinreich for his time, 

patience and enthusiasm in helping me navigate through this project, as well as for his all 

too apt advice to “love your data”.  

  46

Thanks  also  to Prof. David Rand,  for  generously  agreeing  to  serve  as  the  second 

reader for this thesis, and also for the opportunity to teach evolution to my fellow Brown 

students. It was, along with this project, one of the highlights of my senior year. 

Thanks  to  Nicole  Damari  and  Ayoosh  Pareek, my  predecessors  to  the  bacterial 

persistence project, for kindly showing me the ropes when I was new to the lab. 

Thanks also  to Chris Baker, Fei Cai, Noah Rose, Tony Thaweethai, Matt Weisberg, 

and  everyone  else  in  the Weinreich  Lab,  for  always  being  so  generous with  their  help, 

encouragement, food, and company. 

This research was supported in part by Brown University’s Undergraduate Teaching 

and Research Awards (UTRA). 

Finally, my utmost gratitude to my parents, for being so incredibly supportive of my 

plans in life, even as they take me far away from home. 

 

REFERENCES

 

Akaike, H.  (1974). A  new  look  at  the  statistical model  identification.  IEEE  Trans Autom 

Control, 19(6), 716‐723. 

 

Arsène, F., Tomoyasu, T., & Bukau, B. (2000). The heat shock response of Escherichia coli. Int 

J Food Microbiol, 55(1‐3), 3‐9. 

 

Balaban, N. Q., Merrin, J., Chait, R., Kowalik, L., & Leibler, S. (2004). Bacterial persistence as 

a phenotypic switch. Science, 305(5690), 1622‐1625. 

 

Barer, M. R., Gribbon, L. T., Harwood, C. R., & Nwoguh, C. E. (1993). The viable but non‐

culturable hypothesis and medical bacteriology. Rev Med Microbiol, 4(4), 183‐191. 

 

  47

Barer, M.  R., & Harwood,  C.  R.  (1999).  Bacterial  viability  and  culturability. Adv Microb 

Physiol, 41, 93‐137. 

 

Bigger,  J. W.  (1944). Treatment of staphylococcal  infections with penicillin by  intermittent 

sterilisation. Lancet, 244(6320), 497‐500. 

 

Bogosian, G., & Bourneuf, E. V. (2001). A matter of bacterial life and death. EMBO Rep, 2(9), 

770‐774. 

 

Buchberger, A., Reinstein, J., & Bukau, B. (1999). The DnaK chaperone system: mechanism 

and  comparison with  other Hsp70  systems.  In  B.  Bukau  (Ed.), Molecular  Chaperones  and 

Folding Catalysts: Regulation, Cellular Function and Mechanisms (pp. 663‐692). 

 

Bukau, B. (1993). Regulation of the Escherichia coli heat shock response. Mol Microbiol, 9(4), 

671‐680. 

 

Burnham, K. P., & Anderson, D. R.  (2002).  Information and  likelihood  theory: a basis  for 

model  selection  and  inference.  In  Model  Selection  and  Multimodel  Inference:  A  Practical 

Information‐Theoretic Approach (pp. 49‐97). 

 

Connolly, L., Yura, T., & Gross, C. A. (1999). Autoregulation of the heat shock response in 

prokaryotes.  In  B.  Bukau  (Ed.),  Molecular  Chaperones  and  Folding  Catalysts:  Regulation, 

Cellular Function and Mechanisms (pp. 13‐38). 

 

Craig, E. A., & Gross, C. A. (1991). Is Hsp70 the cellular thermometer? Trends Biochem Sci, 

16, 135‐140. 

 

Fisher,  J.  F.,  Meroueh,  S.  O.,  &  Mobashery,  S.  (2005).  Bacterial  resistance  to  β‐lactam 

antibiotics: compelling opportunism, compelling opportunity. Chem Rev, 105(2), 395‐424. 

 

Gefen, O., & Balaban, N. Q.  (2009). The  importance of being persistent: heterogeneity of 

bacterial populations under antibiotic stress. FEMS Microbiol Rev, 33(4), 704‐717. 

 

Georgopoulos, C., Liberek, K., Zylicz, M., & Ang, D.  (1994). Properties of  the heat  shock 

proteins  of  Escherichia  coli  and  the  autoregulation  of  the  heat  shock  response.  In  R.  I. 

Morimoto, A. Tissières, & C. Georgopoulos  (Eds.), The Biology  of Heat  Shock Proteins  and 

Molecular Chaperones (pp. 209‐249). 

 

Gross, C. A. (1996). Function and regulation of the heat shock proteins. In F. C. Neidhardt 

(Ed.), Escherichia coli and Salmonella (pp. 1382‐1399). 

 

  48

Hansen,  S.,  Lewis,  K.,  &  Vulić,  M.  (2008).  Role  of  global  regulators  and  nucleotide 

metabolism  in  antibiotic  tolerance  in  Escherichia  coli.  Antimicrob  Agents  Chemother,  52(8), 

2718‐2726. 

 

Humpheson, L., Adams, M. R., Anderson, W. A., & Cole, M. B.  (1998). Biphasic Thermal 

Inactivation Kinetics in Salmonella enteritidis PT4. Appl Environ Microbiol, 64(2), 459‐464. 

 

Keren,  I.,  Kaldalu,  N.,  Spoering,  A., Wang,  Y.,  &  Lewis,  K.  (2004).  Persister  cells  and 

tolerance to antimicrobials. FEMS Microbiol Lett, 230(1), 13‐18. 

 

Lewis, K. (2007). Persister cells, dormancy and infectious disease. Nature Rev Microbiol, 5(1), 

48‐56. 

 

Lewis, K. (2010). Persister cells. Annu Rev Microbiol, 64, 357‐372. 

 

Nagai, H., Yuzawa, H., & Yura, T.  (1991).  Interplay  of  two  cis‐acting mRNA  regions  in 

translational  control  of  σ32  synthesis  during  the  heat  shock  response  of  Escherichia  coli. 

PNAS, 88(23), 10515‐10519. 

 

Schröder, H., Langer, T., Hartl, F. U., & Bukau, B.  (1993). DnaK, DnaJ  and GrpE  form  a 

cellular chaperone machinery capable of repairing heat‐induced protein damage. EMBO J, 

12(11), 4137‐4144. 

 

Sugiura, N.  (1978). Further analysts of  the data by Akaike’s  information criterion and  the 

finite corrections. Commun Stat – Theory Methods, 7(1), 13‐26. 

 

Tatsuta, T., Tomoyasu, T., Bukau, B., Kitagawa, M., Mori, H., Karata, K., & Ogura, T. (1998). 

Heat shock regulation in the  ftsH null mutant of Escherichia coli: dissection of stability and 

activity control mechanisms of σ32 in vivo. Mol Micrbiol, 30(3), 583‐593. 

 

Whitesides, M. D., & Oliver,  J. D.  (1997). Resuscitation of Vibrio vulnificus  from  the viable 

but non‐culturable state. Appl Environ Microbiol, 63(3), 1002‐1005.