The ability to sense and respond to intracellular metabolite levels enables cells to adapt to environmental conditions. Many prokaryotes use riboswitches - structured RNA elements usually located in the 5' untranslated region of mRNAs - to sense intracellular metabolites and respond by modulating gene expression. The corrinoid riboswitch class, which responds to adenosylcobalamin (coenzyme B12) and related metabolites, is among the most widespread in bacteria. The structural elements for corrinoid binding and the requirement for a kissing loop interaction between the aptamer and expression platform domains have been established for several corrinoid riboswitches. However, the conformational changes in the expression platform that modulate gene expression in response to corrinoid binding remain unknown. Here, we employ an in vivo GFP reporter system in Bacillus subtilis to define alternative secondary structures in the expression platform of a corrinoid riboswitch from Priestia megaterium by disrupting and restoring base-pairing interactions. Moreover, we report the discovery and characterization of the first riboswitch known to activate gene expression in response to corrinoids. In both cases, mutually exclusive RNA secondary structures are responsible for promoting or preventing the formation of an intrinsic transcription terminator in response to the corrinoid binding state of the aptamer domain. Knowledge of these regulatory mechanisms allowed us to develop synthetic corrinoid riboswitches that convert repressing riboswitches to riboswitches that robustly induce gene expression in response to corrinoids. Due to their high expression levels, low background, and over 100-fold level of induction, these synthetic riboswitches have potential use as biosensors or genetic tools.

Abstract Bacteria encounter chemically similar nutrients in their environment that impact their growth in distinct ways. Among such nutrients are cobamides, the structurally diverse family of cofactors related to vitamin B 12 (cobalamin), which function as cofactors for diverse metabolic processes. Given that different environments contain varying abundances of different cobamides, bacteria are likely to encounter cobamides that enable them to grow robustly as well as those that do not function efficiently for their metabolism. Here, we performed a laboratory evolution of a cobamide-dependent strain of Escherichia coli with pseudocobalamin (pCbl), a cobamide that E. coli uses less effectively than cobalamin for MetH-dependent methionine synthesis, to identify genetic adaptations that lead to improved growth with less-preferred cobamides. After propagating and sequencing nine independent lines and validating the results by constructing targeted mutations, we found that mutations that increase expression of the outer membrane cobamide transporter BtuB are beneficial during growth under cobamide-limiting conditions. Unexpectedly, we also found that overexpression of the cobamide adenosyltransferase BtuR confers a specific growth advantage in pCbl. Characterization of the latter phenotype revealed that BtuR and adenosylated cobamides contribute to optimal MetH-dependent growth. Together, these findings improve our understanding of how bacteria expand their cobamide-dependent metabolic potential. Importance In nature, bacteria commonly experience fluctuations in the availability of required nutrients. Thus, their environment often contains nutrients that are insufficient in quantity or that function poorly in their metabolism. Cobamides, the vitamin B 12 family of cofactors, are ideal for investigating the influence of nutrient quality on bacterial growth. We performed a laboratory evolution experiment in E. coli with a less-preferred cobamide to examine whether and how bacteria can improve their growth with less ideal nutrients. We found that overexpression of genes for cobamide uptake and modification are genetic adaptations that improve growth under these conditions. Given that cobamides are key shared metabolites in microbial communities, our results reveal insights into bacterial interactions and competition for nutrients.

Antibiotic resistant bacteria are an increasing global problem, and pathogenic actinomycetes and firmicutes are particularly challenging obstacles. These pathogens share several eukaryotic like kinases that present antibiotic development opportunities. We used computational modelling to identify human kinase inhibitors that could be repurposed towards bacteria as part of a novel combination therapy. The computational model suggested a family of inhibitors, the imidazopyridine aminofurazans (IPAs), bind PknB with high affinity. We found that these inhibitors biochemically inhibit PknB, with potency roughly following the predicted models. A novel x-ray structure confirmed that the inhibitors bind as predicted and made favorable protein contacts with the target. These inhibitors also have antimicrobial activity towards Mycobacteria and Nocardia, and normally ineffective β-lactams can potentiate IPAs to more efficiently inhibit growth of these pathogens. Collectively, our data show that in silico modeling can be used as a tool to discover promising drug leads, and the inhibitors we discovered can synergize with clinically relevant antibiotics to restore their efficacy against bacteria with limited treatment options.

Abstract In bacteria, many essential metabolic processes are controlled by riboswitches, gene regulatory RNAs that directly bind and detect metabolites. Highly specific effector binding enables riboswitches to respond to a single biologically relevant metabolite. Cobalamin riboswitches are a potential exception because over a dozen chemically similar but functionally distinct cobalamin variants (corrinoid cofactors) exist in nature. Here, we measured cobalamin riboswitch activity in vivo using a Bacillus subtilis fluorescent reporter system and found that among 38 tested riboswitches, a subset responded to corrinoids promiscuously, while others were semi-selective. Analyses of chimeric riboswitches and structural models indicate that, unlike other riboswitch classes, cobalamin riboswitches indirectly differentiate among corrinoids by sensing differences in their structural conformation. This regulatory strategy aligns riboswitch-corrinoid specificity with cellular corrinoid requirements in a B. subtilis model. Thus, bacteria can employ broadly sensitive riboswitches to cope with the chemical diversity of essential metabolites.