Abstract Cryo-electron tomography (cryo-ET) is the prime method for cell biological studies in three dimensions (3D) at high resolution. We have introduced cryo-scanning transmission electron tomography (CSTET), which can access larger 3D volumes, on the scale of 1 micron, making it ideal to study organelles and their interactions in situ . Here we introduce two relevant advances: a) we demonstrate the utility of multi-color super-resolution radial fluctuation light microscopy under cryogenic conditions (cryo-SRRF), and b) we extend the use of deconvolution processing for dual-axis CSTET data. We show that cryo-SRRF nanoscopy is able to reach resolutions in the range of 100 nm, using commonly available fluorophores and a conventional widefield microscope for cryo-correlative light-electron microscopy (cryo-CLEM). Such resolution aids in precisely identifying regions of interest before tomographic acquisition and enhances precision in localizing features of interest within the 3D reconstruction. Dual-axis CSTET tilt series data and application of entropy regularized deconvolution during post-processing results in close-to isotropic resolution in the reconstruction without averaging. We show individual protein densities in a mitochondrion-ER contact in a cell region 850 nm thick. The integration of cryo-SRRF with deconvolved dual-axis CSTET provides a versatile workflow for studying unique objects in a cell.

Salmonella invasion is mediated by a concerted action of the Salmonella pathogenicity island 4 (SPI4)-encoded type one secretion system (T1SS) and the SPI1-encoded type three secretion system (T3SS-1). The SPI4-encoded T1SS establishes the first contact to the host membrane. It consists of five proteins (SiiABCDF) that secrete the giant adhesin SiiE. The exact mechanism by which the T1SS enables host cell recognition remains unclear. Here, we investigated structure-function relationships in SiiA, a non-canonical T1SS subunit located at the inner membrane (IM). We observe that SiiA consists of a membrane domain, an intrinsically disordered periplasmic linker region and a folded globular periplasmic domain (SiiA-PD). The crystal structure of SiiA-PD shows homology to that of MotB-PD and other peptidoglycan (PG)-binding domains. Indeed, SiiA-PD binds PG in vitro albeit at an acidic pH, only, whereas MotB-PD binds PG from pH 5.8 to 8. Mutation of Arg162 in SiiA impedes PG binding and reduces Salmonella invasion efficacy of polarized epithelial cells. SiiA forms a complex with SiiB at the IM, and the SiiA-MotB homology is likely paralleled by a SiiB-MotA homology. We show that, in addition to PG binding, the SiiAB complex translocates protons across the IM. Substituting Asp13 in SiiA impairs proton translocation. Overall, SiiA displays many properties previously observed in MotB. However, whereas the MotAB complex uses the proton motif force (PMF) to energize the bacterial flagellum, it remains to be shown how the use of the PMF by SiiAB assists T1SS function and ultimately Salmonella invasion.

Abstract Intimate cell contact and subsequent type three secretion system-dependent cell invasion are key steps in host colonization of Salmonella . Adhesion to complex glycostructures at the apical membrane of polarized cells is mediated by the giant adhesin SiiE. This protein is secreted by a type 1 secretion system (T1SS) and needs to be retained at the bacterial surface to exert its adhesive function. Here, we show that SiiE surface expression was linked to the presence of L-aspartate sensed by the Salmonella -specific methyl-accepting chemotaxis protein CheM. Bacteria lacking CheM were attenuated for invasion of polarized cells, whereas increased invasion was seen with Salmonella exposed to the non-metabolizable aspartate analog α-methyl-D, L-aspartate (MeAsp). While components of the chemotaxis phosphorelay or functional flagella were dispensable for the increased invasion, CheM directly interacted with proteins associated with the SiiE T1SS arguing for a novel non-canonical signaling mechanism. As a result, CheM attractant signaling caused a shift from secreted to surface-retained and adhesion-competent SiiE. Thus, CheM controls the virulence function of SiiE in a precise spatio-temporal fashion depending on the host micro-milieu.

4D STEM is an emerging approach to electron microscopy. While it was developed principally for high-resolution studies in materials science, the possibility to collect the entire transmitted flux makes it attractive for cryomicroscopy in application to life science and radiation-sensitive materials where dose efficiency is of utmost importance. We present a workflow to acquire tomographic tilt series of 4D STEM data sets using a segmented diode and an ultrafast pixelated detector, demonstrating the methods using a specimen of a T4 bacteriophage. Full integration with the SerialEM platform conveniently provides all the tools for grid navigation and automation of the data collection. Scripts are provided to convert the raw data to mrc format files and further to generate a variety of modes representing both scattering and phase contrasts, including incoherent and annular bright field, integrated center of mass, and parallax decomposition of a simulated integrated differential phase contrast. Principal component analysis of virtual annular detectors proves particularly useful, and axial contrast is improved by 3D deconvolution with an optimized point spread function. Contrast optimization enables visualization of irregular features such as DNA strands and thin filaments of the phage tails, which would be lost upon averaging or imposition of an inappropriate symmetry.

Abstract 4D-STEM is an emerging approach to electron microscopy. While it has been developed principally for high resolution studies in materials science, the possibility to collect the entire transmitted flux makes it attractive for cryo-microscopy in application to life science and radiation-sensitive materials where dose efficiency is of utmost importance. We present a workflow to acquire tomographic tilt series of 4D-STEM datasets using a segmented diode and an ultra-fast pixelated detector, demonstrating the methods using a specimen of T4 bacteriophage. Full integration with the SerialEM platform conveniently provides all the tools for grid navigation and automation of the data collection. Scripts are provided to convert the raw data to mrc format files, and further to generate a variety of modes representing both scattering and phase contrast, including incoherent and annular bright field, integrated center of mass (iCOM), and parallax decomposition of a simulated integrated differential phase contrast (iDPC). Principal component analysis of virtual annular detectors proves particularly useful, and axial contrast is improved by 3D deconvolution with an optimized point spread function. Contrast optimization enables visualization of irregular features such as DNA strands and thin filaments of the phage tails, which would be lost upon averaging or imposition of an inappropriate symmetry.