DNA transfer is ubiquitous in the gut microbiota, especially among species of Bacteroidales. In silico analyses have revealed hundreds of mobile genetic elements shared between these species, yet little is known about the phenotypes they encode, their effects on fitness, or pleiotropic consequences for the recipient's genome. Here, we show that acquisition of a ubiquitous integrative and conjugative element encoding an antagonistic system shuts down the native contact-dependent antagonistic system of Bacteroides fragilis . Despite inactivating the native antagonism system, mobile element acquisition increases fitness of the B. fragilis transconjugant over its progenitor by arming it with a new weapon. This DNA transfer causes the strain to change allegiances so that it no longer targets ecosystem members containing the same element yet is armed for communal defense.

Bacteria perform diverse redox chemistries in the periplasm, cell wall, and extracellular space. Electron transfer for these extracytosolic activities is frequently mediated by proteins with covalently bound flavins, which are attached through post-translational flavinylation by the enzyme ApbE. Despite the significance of protein flavinylation to bacterial physiology, the basis and function of this modification remains unresolved. Here we apply genomic context analyses, computational structural biology, and biochemical studies to address the role of ApbE flavinylation throughout bacterial life. We find that ApbE flavinylation sites exhibit substantial structural heterogeneity. We identify two novel classes of flavinylation substrates that are related to characterized proteins with non-covalently bound flavins, providing evidence that protein flavinylation can evolve from a non-covalent flavoprotein precursor. We further find a group of structurally related flavinylation-associated cytochromes, including those with the domain of unknown function DUF4405, that presumably mediate electron transfer in the cytoplasmic membrane. DUF4405 homologs are widespread in bacteria and related to ferrosome iron storage organelle proteins that may facilitate iron redox cycling within ferrosomes. These studies reveal a complex basis for flavinylated electron transfer and highlight the discovery power of coupling comparative genomic analyses with high-quality structural models.

SUMMARY The Na + -pumping NADH-ubiquinone oxidoreductase (Na + -NQR) couples electron transfer from NADH to ubiquinone with Na + -pumping, generating an electrochemical Na + gradient that is essential for energy-consuming reactions in bacteria. Since Na + -NQR is exclusively found in prokaryotes, it is a promising target for highly selective antibiotics. However, the molecular mechanism of inhibition is not well-understood for lack of the atomic structural information about an inhibitor-bound state. Here we present cryo-electron microscopy structures of Na + - NQR from Vibrio cholerae with or without a bound inhibitor at 2.5- to 3.1-Å resolution. The structures reveal the arrangement of all six redox cofactors including riboflavin, whose position has been under debate, and a newly assigned 2Fe-2S NqrD/E cluster located between the membrane embedded NqrD and NqrE subunits. A large part of the hydrophilic NqrF near the cytoplasmic membrane surface is barely visible in the density map, suggesting a high degree of flexibility. This flexibility may be responsible to reducing the long distance between the 2Fe- 2S centers in NqrF and NqrD/E, consistent with physiologically relevant electron transfer. Two different types of specific inhibitors (korormicin A and aurachin D-42) bind to the N-terminal region of NqrB, which is disordered in the absence of inhibitors. The current inhibitor-bound structures reasonably explain our previous biochemical findings obtained by different chemistry-based experiments. This study provides a definite foundation for understanding the function of Na + -NQR and the molecular mechanism of its specific inhibitors to support molecular design of new antibiotics targeting the enzyme.

Abstract Mechanistic studies of anaerobic gut bacteria have been hindered by the lack of a fluorescent protein system to track and visualize proteins and dynamic cellular processes in actively growing bacteria. Although underappreciated, many gut “anaerobes” are able to respire using oxygen as the terminal electron acceptor. The oxygen continually released from gut epithelial cells creates an oxygen gradient from the mucus layer to the anaerobic lumen (1), with oxygen available to bacteria growing at the mucus layer. Using a combination of analyses, we show that Bacteroides species are metabolically and energetically robust and do not mount stress responses in the presence of 0.10 - 0.14% oxygen, defined as nanaerobic conditions (2). Taking advantage of this metabolic capability, we show that nanaerobic growth provides sufficient oxygen for the maturation of oxygen-requiring fluorescent proteins in Bacteroides species. Type strains of four different Bacteroides species show bright GFP fluorescence when grown nanaerobically versus anaerobically. We compared four different red fluorescent proteins and found that mKate2 yields high fluorescence intensity in our assay. We show that GFP-tagged proteins can be localized in nanaerobically growing bacteria. In addition, we used time-lapse fluorescence microscopy to image dynamic Type VI secretion system processes in metabolically active B. fragilis . The ability to visualize fluorescently-labeled Bacteroides and fluorescently-linked proteins in actively growing nanaerobic gut symbionts ushers in a new age of imaging analyses in these bacteria. Significance Despite many recent technological advances to study the human gut microbiota, we still lack a facile system to image dynamic cellular processes in most abundant gut species due to the requirement of oxygen for chromophore maturation of commonly used fluorescent proteins. Here, we took advantage of the ability of anaerobes of the gut microbiota to respire aerobically and grow robustly at 0.10– 0.14% oxygen. This physiologic concentration of oxygen is sufficient for fluorescent proteins to mature, allowing for visualization of biological processes never before imaged in these bacteria. This advance will allow for numerous types of analyses in actively-growing “nanaerobic” gut bacteria including subcellular protein localizations, single-cell analyses, biofilm imaging, and protein interactions with other microbes and the host.