Abstract Ice-nucleation active (INA) bacteria can promote the growth of ice more effectively than any other known material. Utilizing specialized ice-nucleating proteins (INPros), they obtain nutrients from plants by inducing frost damage and, when airborne in the atmosphere, they drive ice nucleation within clouds and may affect global precipitation patterns. Despite their evident environmental importance, the molecular mechanisms behind INPro-induced freezing have remained largely elusive. In the present study, we investigated the folding and the structural basis for interactions between water and the ice-nucleating protein InaZ from the INA bacterium Pseudomonas syringae strain R10.79. Using vibrational sum-frequency generation and two-dimensional infrared spectroscopy, we demonstrate that the ice-active repeats of InaZ adopt a β-helical structure in solution and at water surfaces. In this configuration, hydrogen bonding between INPros and water molecules imposes structural ordering on the adjacent water network. The observed order of water increases as the interface is cooled to temperatures close to the melting point of water. Experimental SFG data combined with spectral calculations and molecular-dynamics simulations shows that the INPro reorients at lower temperatures. We suggest that the reorientation can enhance order-inducing water interactions and, thereby, the effectiveness of ice nucleation by InaZ.

Abstract Bacillus subtilis vegetative cells switch to sporulation upon nutrient limitation. To investigate the proteome dynamics during sporulation, high resolution time-lapse proteomics was performed in a cell population that was induced to sporulate synchronously. Here, we are the first to comprehensively investigate the changeover of sporulation regulatory proteins, coat proteins and other proteins involved in sporulation and spore biogenesis. Protein co-expression analysis revealed four co-expressed modules (blue, brown, green and yellow). Modules brown and green are upregulated during sporulation and contain proteins associated with sporulation. Module blue, is negatively correlated with modules brown and green, and contained ribosomal and metabolic proteins. Finally, module yellow shows co-expression with the three other modules. Notably, several proteins not belonging to any of the known transcription regulons were identified as co-expressed with modules brown and green. We speculate that they may also play roles during sporulation. Finally, levels of some coat proteins, for example morphogenetic coat proteins, decreased late in sporulation. We speculate on their possible role in guiding or helping assembly of other coat proteins, after which they can be disposed of, but such a hypothesis remains to be experimentally addressed.

Abstract Glycogen in the female lower reproductive tract is a major carbon source for vaginal colonization and acidification by common vaginal Lactobacillus species, such as Lactobacillus crispatus . Previously we identified the pullulanase gene pulA in Lactobacillus crispatus , correlating with its ability to autonomously utilize glycogen for growth. Here we further characterize genetic variation and differential regulation of pulA affecting the presence of its gene product on the outer surface layer. We show that alpha-glucan degrading activity dissipates when Lactobacilllus crispatus is grown on glucose, maltose and maltotriose, in agreement with carbon catabolite repression elements flanking the pulA gene. Proteome analysis of the S-layer confirmed that the pullulanase protein is highly abundant in an S-layer enriched fraction, but not in a strain with a defective pullulanase variant or in a pullulanase-sufficient strain grown on glucose. In addition, we provide evidence that Lactobacillus crispatus pulA mutants are relevant in vivo , as they are commonly observed in metagenome datasets of human vaginal microbial communities. Analysis of the largest publicly available human vaginal metagenome dataset indicates that 15 out of 272 samples, containing a Lactobacillus crispatus pulA gene, contain a defective variant of this gene. Another 23 out of 272 samples show large deletions or transposon insertions. Taken together, these results demonstrate that both environmental as well as genetic factors explain variation of Lactobacillus crispatus alpha-glucosidases in the vaginal environment.

Abstract Identification of peptides and their linked amino acids from chemically cross-linked protein complexes with bifunctional N-hydroxysuccinimidyl (NHS) esters can reveal interacting proteins and their spatial arrangements. With NHS esters both amide- and ester cross-links can be formed. Retention time prediction for strong cation exchange chromatography (SCXC) of cross-linked peptides at pH 3 can distinguish between ester and amide cross-links based on their charge differences. By this approach we show that about 98 % of cross-links are formed by two amide bonds. However MS/MS analysis revealed the presence of an ester linkage in more than 5% of peptide pairs predicted by SCXC to be linked by amide bonds. This discrepancy can be explained by intra-peptide amide-ester rearrangement in the gas phase during MS/MS analysis. So, SCXC retention time prediction can be used to distinguish amide-amide, amide-ester and ester-ester linkages actually formed in the cross-linking reaction and to detect scrambling of cross-linked sites. This information is important for studies aimed to understand the spatial arrangement of protein complexes by cross-linking at the highest possible resolution.

Abstract In vivo chemical cross-linking combined with LCMSMS of digested extracts (in vivo CX-MS) can reveal stable and dynamic protein-protein interactions at a proteome wide-scale and at the peptide level. In vivo CX-MS requires a membrane permeable and cleavable cross-linker that enables isolation of target peptides and a fast and sensitive search engine to identify the linked peptides. Here we explore the use of the search engine pLink 2 for analysis of a previously obtained LCMSMS dataset from exponentially growing Bacillus subtilis treated in culture with the cross-linker bis(succinimidyl)-3-azidomethyl-glutarate (BAMG). Cross-linked peptide pairs were identified by pLink 2 in very short time at an overall FDR of < 5%. To also obtain a FDR < 5% for inter-protein cross-linked peptide pairs additional thresholds values were applied for matched fragment intensity and for the numbers of unambiguous y and b ions to be assigned for both composite peptides. Threshold values were based on a set of decoy sequences from yeast and human sequence databases. Also the mass- and charge-dependent retention times of target peptides purified by diagonal strong cation exchange chromatography were used as a criterion to distinguish true from false positives. After this filtering, pLink 2 identified more than 80% of previously reported protein-protein interactions. In addition the use of pLink 2 revealed interesting new inter-protein cross-linked peptide pairs, among others showing interactions between the global transcriptional repressor AbrB and elongation factor Tu and between the essential protein YlaN of unknown function and the ferric uptake repressor Fur. Abstract Figure Highlights Improved protocol for identification of PPIs at low FDR by in vivo cross-linking with BAMG The use of all intra-protein cross-linked peptide pairs as true positives The cytosolic aminopeptidase (AMPA_BACSU) interacts with the 50S ribosomal protein L17 The transition state regulator AbrB interacts with elongation factor Tu The essential protein YlaN of unknown function interacts with the iron uptake repressor Fur Significance Important for reliable identification of PPIs by chemical cross-linking in vivo is a low FDR of non-redundant inter-protein peptide pairs. Here we describe how to recognize the presence of spurious interactions in a dataset of cross-linked peptide pairs enriched by 2D strong cation exchange chromatography and identified by LCMSMS by taking into account chromatographic behavior of cross-linked peptide pairs and protein abundance of corresponding peptides. Based on these criteria we assessed that the FDR of the fraction of non-redundant inter-protein cross-linked peptide pairs was approx. 20-25% by interrogating an entire species specific database at an overall FDR of 5% or 0.1% with a search engine that otherwise scores best in sensitivity among other search engines. We have defined a composite filter to decrease this high FDR of inter-protein cross-linked peptide pairs to only about 2%.

Abstract The phloem-feeding insect Bemisia tabaci is an important pest, responsible for the transmission of several crop-threatening virus species. While feeding, the insect secretes a cocktail of effectors to modulate defense responses. Here, we present a set of proteins that was identified in artificial diet on which B. tabaci was salivating. We studied whether these candidate effectors can play a role in plant immune suppression. Effector G4 was the most robust suppressor of the flg22-induced ROS response when transiently expressed in Nicotiana benthamiana . In addition, G4 was able to supress ROS in Solanum lycopersicum (tomato) and Capsicum annuum (pepper). Fused to a fluorescence tag, G4 localized in the cytoplasm in N. benthamiana . A yeast two-hybrid screen combined with a luciferase bimolecular complementation and co-localization assays resulted in the identification of two target proteins in tomato: REF-like stress related protein 1 (RSP1) and meloidogyne-induced giant cell protein DB141 (MIPDB141). Silencing of MIPDB141 in tomato, using virus-induced gene silencing, reduced whitefly fecundity up to 40% demonstrating that the protein is involved in susceptibility to B. tabaci . Together our data demonstrate that effector G4 impairs tomato immunity to whiteflies by interfering with the ROS production and via a direct interaction with tomato susceptibility protein MIPDB141.

Abstract Bacteria possess the ability to enter a growth arrested state known as persistence in order to survive antibiotic exposure. Clinically, persisters are regarded as the main causative agents for chronic and recurrent infectious diseases. To combat this antibiotic-tolerant population, a better understanding of the molecular physiology of persisters is required. In this study, we collected samples at different stages of the biphasic kill curve to reveal the dynamics of the cellular molecular changes that occur in the process of persister formation. After exposure to antibiotics with different modes of action, namely vancomycin and enrofloxacin, similar persister levels were obtained. Both shared and distinct stress responses were enriched for the respective persister populations. However, the dynamics of the presence of proteins linked to the persister phenotype throughout the biphasic kill curve and the molecular profiles in a stable persistent population did show large differences depending on the antibiotic used. This suggests that persisters at the molecular level are highly stress specific, emphasizing the importance of characterizing persisters generated under different stress conditions. Additionally, although generated persisters exhibited cross-tolerance toward tested antibiotics, combined therapies were demonstrated to be a promising approach to reduce persister levels. In conclusion, this investigation sheds light on the stress-specific nature of persisters, highlighting the necessity of tailored treatment approaches and the potential of combined therapy. Importance By monitoring proteome and metabolites during Staphylococcus aureus persister formation under vancomycin and enrofloxacin exposure, we revealed the dynamic information of the molecular physiology of persister formation upon exposure to two different antibiotics with different modes of action. The data shows that cells that phenotypically are similarly classified as persisters, do have several molecular characteristics in common but, remarkably so, differ substantially in a significant number of other aspects of their molecular makeup. These contrasts provided valuable insights into persister eradication, which holds considerable clinical relevance.

Staphylococcus aureus is a notorious pathogen responsible for significant morbidity and mortality in both human society and animal husbandry. The presence of S. aureus persisters is also one of the leading causes of recurrent and chronic diseases. Persisters are a subset of growth-arrested bacteria within a susceptible bacterial population that are able to tolerate antibiotic treatment and resuscitate after stress removal. Consequently, investigating their formation and characteristics is of crucial importance to provide mechanism-based options for their eradication. However, one challenge in mechanistic research on persisters is the enrichment of pure persisters. In this work, we validated a proposed method to isolate persisters from vancomycin and enrofloxacin generated persistent populations. With this, we analyzed the proteome profile of pure persisters and revealed the distinct mechanisms associated with vancomycin and enrofloxacin induced persisters. Furthermore, morphological and metabolic characterizations were performed, indicating further differences between these two persister populations. Finally, we assessed the effect of ATP repression, protein synthesis inhibition and reactive oxygen species (ROS) level on persister formation. In conclusion, this work provides a comprehensive understanding of S. aureus vancomycin and enrofloxacin induced persisters at the molecular, single cell and population levels, facilitating a better understanding of persisters and the development of effective strategies to combat them.

ABSTRACT The pathogenic yeast Candida krusei is more distantly related to Candida albicans than clinically relevant CTG-clade Candida species. Its cell wall, a dynamic organelle that is the first point of interaction between pathogen and host, is relatively understudied, and its wall proteome remains unidentified to date. Here, we present an integrated study of the cell wall in C. krusei . Our comparative genomic studies and experimental data indicate that the general structure of the cell wall in C. krusei is similar to Saccharomyces cerevisiae and C. albicans and is comprised of β-1,3-glucan, β-1,6-glucan, chitin, and mannoproteins. However, some pronounced differences with C. albicans walls were observed, for instance, higher mannan and protein levels and altered protein mannosylation patterns. Further, despite absence of proteins with high sequence similarity to Candida adhesins, protein structure modeling identified eleven proteins related to flocculins/adhesins in S. cerevisiae or C. albicans . To obtain a proteomic comparison of biofilm and planktonic cells, C. krusei cells were grown to exponential phase and in static 24-h cultures. Interestingly, the 24-h static cultures of C. krusei yielded formation of floating biofilm (flor) rather than adherence to polystyrene at the bottom. The proteomic analysis of both conditions identified a total of 32 cell wall proteins. In line with a possible role in flor formation, increased abundance of flocculins, in particular Flo110, was observed in the floating biofilm compared to exponential cells. This study is the first to provide a detailed description of the cell wall in C. krusei including its cell wall proteome, and paves the way for further investigations on the importance of flor formation and flocculins in the pathogenesis of C. krusei . AUTHOR SUMMARY The yeast Candida krusei is among the five most prevalent causal agents of candidiasis but its mechanisms underlying pathogenicity have been scarcely studied. This is also true for its cell wall structure, an essential organelle that governs primary host-pathogen interactions and host immune responses. Solid knowledge about cell wall synthesis and dynamics is crucial for the development of novel antifungal strategies against this pathogenic yeast. Here, through a combination of comparative genomics, protein structure modeling, and biochemical and proteomic analysis of purified walls, we present a detailed study of the cell wall composition in C. krusei and identify important architectural differences compared to C. albicans cell walls. Cell walls of C. krusei contain higher mannan and protein levels with altered mannan branching patterns, governed by expansions and reductions in gene families encoding mannosyltransferases. We also show that, in contrast to other Candida species, static cultures produce floating biofilms. Comparative wall proteomic studies of these biofilms show increased abundance of flocculins and hydrolytic enzymes, protein classes implicated in biofilm formation and primary host-pathogen interactions leading to tissue colonization. In conclusion, our study uncovers important keys towards a better molecular understanding of the virulence mechanisms of the important pathogen C. krusei .

Abstract Spore-forming bacteria play an essential role in the food industry and public health. Through sporulation, bacteria can withstand extreme environmental conditions that vegetative cells cannot survive. Although it is well established that the same environmental factors that affect the growth of vegetative cells also profoundly influence sporulation, the mechanisms of how growth conditions affect spore structure and function remain unknown. Prior research has shown that spores prepared at higher temperatures are more heat resistant than those prepared at lower temperatures. The present study examines, both at metabolomic and proteomic levels, the effect of different sporulation temperatures (25, 37 and 42°C) on the small molecule and protein composition of spores (strain PY79) of the model organism B. subtilis . Through differential harvesting times, spores of the same developmental stage were obtained for each temperature regime. The heat resistance, dipicolinic acid content, germination kinetics and spore morphology were assayed to compare spore properties. Metabolome and proteome analysis yielded unparalleled broad molecular detail of the spores formed at different environmental temperatures. Our findings indicate that peptidoglycan biosynthesis and 28 outer-layer proteins play a crucial role in the functional diversity of spores produced by B. subtilis under varying temperatures.