Abstract Many bacteria use the flagellum for locomotion and chemotaxis. Its bi-directional rotation is driven by the membrane-embedded motor, which uses energy from the transmembrane ion gradient to generate torque at the interface between stator units and rotor. The structural organization of the stator unit (MotAB), its conformational changes upon ion transport and how these changes power rotation of the flagellum, remain unknown. Here we present ~3 Å-resolution cryo-electron microscopy reconstructions of the stator unit in different functional states. We show that the stator unit consists of a dimer of MotB surrounded by a pentamer of MotA. Combining structural data with mutagenesis and functional studies, we identify key residues involved in torque generation and present a mechanistic model for motor function and switching of rotational direction. One Sentence Summary Structural basis of torque generation in the bidirectional bacterial flagellar motor

ABSTRACT Transmembrane potential is one of the main bioenergetic parameters of bacterial cells, and is directly involved in energising key cellular processes such as transport, ATP synthesis, and motility. The most common approach to measure membrane potential levels is through use of voltage-sensitive fluorescent dyes. Such dyes either accumulate or are excluded from the cell in a voltage-dependent manner, which can be followed by means of fluorescence microscopy, flow cytometry, or fluorometry. Since the cell’s ability to maintain transmembrane potential relies upon low membrane ion conductivity, voltage-sensitive dyes are also highly sensitive reporters for the activity of membrane-targeting antibacterials. However, the presence of an additional membrane layer in Gram-negative (diderm) bacteria significantly complicates their use. In this manuscript, we provide guidance on how membrane potential and its changes can be reliably monitored in Gram-negatives using the voltage-sensitive dye DiSC 3 (5). We also discuss the confounding effects caused by the presence of the outer membrane, or by measurements performed in buffers rather than growth medium. We hope that the discussed methods and protocols provide an easily accessible basis for the use of voltage-sensitive dyes in Gram-negative organisms, and raise awareness of potential experimental pitfalls associated with their use.

Abstract Bacteria swim using a flagellar motor that is powered by stator units. These stator units are energized by an ionic gradient across the membrane, typically proton or sodium. The presumed monodirectional rotation of the stator units allows the bidirectional rotation of the flagellar motor. However, how ion selectivity is attained, how ion transport triggers the directional rotation of the stator unit, and how the stator unit is incorporated into the motor remain largely unclear. Here we have determined by cryo-electron microscopy the structure of the Na + -driven type stator unit PomAB from the gram-negative bacterium Vibrio alginolyticus in both lipidic and detergent environments, at a resolution up to 2.5 Å. The structure is in a plugged, auto-inhibited state consisting of five PomA subunits surrounding two PomB subunits. The electrostatic potential map uncovers sodium ion binding sites within the transmembrane domain, which together with functional experiments and explicit solvent molecular dynamics simulations, suggest a mechanism for ion translocation and selectivity. Resolved conformational isomers of bulky hydrophobic residues from PomA, in the vicinity of key determinant residues for sodium ion coupling of PomB, prime PomA for clockwise rotation. The rotation is tightly blocked by the trans-mode organization of the PomB plug motifs. The structure also reveals a conformationally dynamic helical motif at the C-terminus of PomA, which we propose regulates the distance between PomA subunit cytoplasmic domains and is involved in stator unit-rotor interaction, concomitant stator unit activation, and torque transmission. Together, our studies provide mechanistic insight for understanding flagellar stator unit ion selectivity and incorporation of the stator units into the motor.

Type-III secretion systems (T3SSs) of the bacterial flagellum and the evolutionarily related injectisome are capable of translocating proteins with a remarkable speed of several thousand amino acids per second. Here, we investigated how T3SSs are able to transport proteins at such a high rate while preventing the leakage of small molecules. Our mutational and evolutionary analyses demonstrate that an ensemble of conserved methionine residues at the cytoplasmic side of the T3SS channel create a deformable gasket (M-gasket) around fast-moving substrates undergoing export. The unique physicochemical features of the M-gasket are crucial to preserve the membrane barrier, to accommodate local conformational changes during active secretion, and to maintain stability of the secretion pore in cooperation with a plug domain (R-plug) and a network of salt-bridges. The conservation of the M-gasket, R-plug, and salt-bridge network suggests a universal mechanism by which the membrane integrity is maintained during high-speed protein translocation in all T3SSs.

The Klebsiella oxytoca species complex is part of the human microbiome, especially during infancy and childhood. K. oxytoca species complex strains can produce enterotoxins, namely, tilimycin and tilivalline, while also contributing to colonization resistance (CR). The relationship between these seemingly contradictory roles is not well understood. Here, by coupling ex vivo assays with CRISPR-mutagenesis and various mouse models, we show that K. oxytoca provides CR against Salmonella Typhimurium. In vitro, the antimicrobial activity against various Salmonella strains depended on tilimycin production and was induced by various simple carbohydrates. In vivo, CR against Salmonella depended on toxin production in germ-free mice, while it was largely toxin-independent in mice with residual microbiota. This was linked to the relative levels of toxin-inducing carbohydrates in vivo. Finally, dulcitol utilization was essential for toxin-independent CR in gnotobiotic mice. Together, this demonstrates that nutrient availability is key to both toxin-dependent and substrate-driven competition between K. oxytoca and Salmonella.

Abstract The widespread bacterial second messenger bis-(3’-5’)-cyclic diguanosine monophosphate (c-di-GMP) is an important regulator of biofilm formation, virulence and cell differentiation. C-di-GMP-specific biosensors that allow detection and visualization of c-di-GMP levels in living cells are key to our understanding of how c-di-GMP fluctuations drive cellular responses. Here, we describe a novel c-di-GMP biosensor, CensYBL, that is based on c-di-GMP-induced dimerization of the effector protein BldD from Streptomyces resulting in bimolecular fluorescence complementation of split-YPet fusion proteins. As a proof-of-principle, we demonstrate that CensYBL is functional in detecting fluctuations in intracellular c-di-GMP levels in the Gram-negative model bacteria Escherichia coli and Salmonella enterica serovar Typhimurium. Using deletion mutants of c-di-GMP diguanylate cyclases and phosphodiesterases, we show that c-di-GMP dependent dimerization of CBldD-YPet results in fluorescence complementation reflecting intracellular c-di-GMP levels. Overall, we demonstrate that the CensYBL biosensor is a user-friendly and versatile tool that allows to investigate c-di-GMP variations using single-cell and population-wide experimental set-ups. Importance The second messenger c-di-GMP controls various bacterial functions including development of resistant biofilm communities and transition into dormant spores. In vivo detection of c-di-GMP levels is therefore crucial for a better understanding of how intracellular c-di-GMP levels induce changes of bacterial physiology. Here, we describe the design of a novel c-di-GMP biosensor and demonstrate its effective application in investigating fluctuations in intracellular c-di-GMP levels in Escherichia coli and Salmonella enterica serovar Typhimurium on a population-based and single-cell level.

The flagellum is the motility device of many bacteria and the long external filament is made of several thousand copies of a single protein, flagellin. While posttranslational modifications of flagellin are common among bacterial pathogens, the role of lysine methylation remained unknown. Here, we show that both flagellins of Salmonella enterica , FliC and FljB, are methylated at surface-exposed lysine residues. A Salmonella mutant deficient in flagellin methylation was outcompeted for gut colonization in a gastroenteritis mouse model. In support, methylation of flagellin promoted invasion of epithelial cells in vitro. Lysine methylation increased the surface hydrophobicity of flagellin and enhanced flagella-dependent adhesion of Salmonella to phosphatidylcholine vesicles and epithelial cells. In summary, posttranslational flagellin methylation constitutes a novel mechanism how flagellated bacteria facilitate adhesion to hydrophobic host cell surfaces and thereby contributes to efficient gut colonization and successful infection of the host.

The flagellum is the most complex macromolecular structure known in bacteria and comprised of around two dozen distinct proteins. The main building block of the long, external flagellar filament, flagellin, is secreted through the flagellar type-III secretion system at a remarkable rate of several tens of thousands amino acids per second, significantly surpassing the rates achieved by other pore-based protein secretion systems. The evolutionary implications and potential benefits of this high secretion rate for flagellum assembly and function, however, have remained elusive. In this study, we provide both experimental and theoretical evidence that the flagellar secretion rate has been evolutionarily optimized to facilitate rapid and efficient construction of a functional flagellum. By synchronizing flagellar assembly, we found that a minimal filament length of 2.5 µm was required for swimming motility. Biophysical modelling revealed that this minimal filament length threshold resulted from an elasto-hydrodynamic instability of the whole swimming cell, dependent on the filament length. Furthermore, we developed a stepwise filament labeling method combined with electron microscopy visualization to validate predicted flagellin secretion rates of up to 10,000 amino acids per second. A biophysical model of flagellum growth demonstrates that the observed high flagellin secretion rate efficiently balances filament elongation and energy consumption, thereby enabling motility in the shortest amount of time. Taken together, these insights underscore the evolutionary pressures that have shaped the development and optimization of the flagellum and type-III secretion system, illuminating the intricate interplay between functionality and efficiency in assembly of large macromolecular structures.

Abstract Initiation of bacterial DNA replication takes place at the origin of replication, a region characterized by the presence of multiple DnaA boxes that serve as the binding sites for the master initiator protein DnaA. The absence or failure of DNA replication can result in bacterial cell growth arrest or death. Here, we aimed to uncover the physiological and molecular consequences of stopping replication in the model bacterium Bacillus subtilis . For this purpose, DNA replication was blocked using a CRISPRi approach specifically targeting DnaA boxes 6 and 7, which are essential for replication initiation. We characterized the phenotype of these cells and analyzed the overall changes in the proteome using quantitative mass spectrometry. Cells with arrested replication were elongating and not dividing but showed no evidence of DNA damage response. Moreover, these cells did not cease translation over time. This study sets the ground for future research on non-replicating but translationally active B. subtilis , which might be a valuable tool for biotechnological applications. Importance Even though bacteria are constantly replicating under laboratory conditions, natural environments expose them to various stresses like lack of nutrients, high salinity, and pH changes, which can keep them in non-replicating states. Non-replicating states can allow bacteria to become less sensitive or tolerant to antibiotics (persisters), remain inactive in specific niches for an extended period (dormancy), and adapt to some hostile ecosystems. Non-replicating states have been studied due to the possibility of repurposing energy to produce additional metabolites or proteins. Using CRISPRi targeting bacterial replication initiation sequences, we successfully arrested the replication of B. subtilis . We observed that non-replicating cells continued growing but not dividing, and the initial arrest did not induce global stress conditions such as SOS or stringent response. Notably, these cells continued their metabolic activity and translation. This study provides comprehensive insights into the physiological response of replication initiation blockage in B. subtilis .

Abstract The Gram-negative bacteria Salmonella Typhimurium and Escherichia coli are important model organisms, powerful prokaryotic expression platforms for biotechnological applications, and pathogenic strains constitute major public health threats. To facilitate new approaches for research, biomedicine, and biotechnological applications, we developed a set of arabinose-inducible artificial transcription factors (ATFs) using CRISPR/dCas9 and Arabidopsis-derived DNA-binding proteins, allowing to control gene expression in E. coli and Salmonella over a wide inducer concentration range. As a proof-of-concept, we employed the developed ATFs to engineer a Salmonella biosen sor strain, SALSOR 0.2 (SALmonella biosenSOR 0.2), which responds to the presence of alkaloid drugs with quantifiable fluorescent output. We demonstrated that SALSOR 0.2 was able to detect the presence of the antitussive noscapine alkaloid with ~2.3-fold increased fluorescent signal over background noise compared to a previously described biosensor. Moreover, we used plant-derived ATFs to control β-carotene biosynthesis in E. coli , which resulted in ~1.6-fold higher β-carotene production compared to expression of the biosynthesis pathway using a strong constitutive promoter. The arabinose-inducible ATFs reported here thus enhance the synthetic biology repertoire of transcriptional regulatory modules that allow tuning protein expression in the Gram-negative model organisms Salmonella and E. coli .