Abstract Amongst the major types of archaeal filaments, several have been shown to closely resemble bacterial homologues of the Type IV pili (T4P). Within Sulfolobales , member species encode for three types of T4P, namely the archaellum, the UV-inducible pilus system (Ups) and the archaeal adhesive pilus (Aap). Whereas the archaellum functions primarily in swimming motility, and the Ups in UV-induced cell aggregation and DNA-exchange, the Aap plays an important role in adhesion and twitching motility. Here, we present a cryoEM structure of the Aap of the archaeal model organism Sulfolobus acidocaldarius . We identify the component subunit as AapB and find that while its structure follows the canonical T4P blueprint, it adopts three distinct conformations within the pilus. The tri-conformer Aap structure that we describe challenges our current understanding of pilus structure and sheds new light on the principles of twitching motility.

Abstract Biofilms represent a prevalent lifestyle of unicellular organism that confers protection to external challenges. The mechanisms by which archaea form biofilms are however not entirely clear. H. volcanii is an extremely halophilic euryarchaeon that commonly colonizes salt crust surfaces. H. volcanii produces long and thin appendages called type IV pili that are known to play a function in surface attachment and biofilm formation in archaea and bacteria. Here, we used biophysical experiments to identify critical function of type IV pili in the mechanical integrity of H. volcanii biofilms. Using interferometric scattering microscopy (iSCAT) to non-invasively visualize T4P in live cells, we find that piliation varies across mutants expressing single pilin isoforms. Using microfluidic experiments, we found that the adhesive strength of these mutants correlates with their extent of piliation. We found that in flow, H. volcanii forms clonal biofilms that extend in three dimensions. Expression of PilA2, a single pilin isoform, is sufficient to maintain normal levels of piliation and form biofilms with a structure indistinguishable from WT. Furthermore, we found that fluid flow is a crucial determinant of biofilm integrity: in the absence of flow, biofilms lose cohesion and tend to disperse in a density-dependent manner. Overall, our results demonstrate that T4P-surface and possibly T4P-T4P interactions promote biofilm formation and integrity, and that flow is a crucial ingredient regulating archaeal biofilm formation.

Abstract Amongst the major archaeal filament types, several have been shown to closely resemble bacterial homologues of the Type IV pili (T4P). Within Sulfolobales, member species encode for three types of T4P, namely the archaellum, the UV-inducible pilus (Uvp) and the archaeal adhesive pilus (Aap). Whereas the archaellum functions primarily in swimming motility, and the Uvp in UV-induced cell aggregation and DNA-exchange, the Aap plays an important role in adhesion and twitching motility. All previously solved Aap appear to have almost identical helical structures. Here, we present a cryoEM structure of the Aap of the archaeal model organism Sulfolobus acidocaldarius. We identify the component subunit as AapB and find that while its structure follows the canonical T4P blueprint, it adopts three distinct conformations within the pilus. The tri-conformer Aap structure that we describe challenges our current understanding of pilus structure and sheds new light on the principles of twitching motility.

Abstract Pili are ubiquitous filamentous surface extensions that play crucial roles for bacterial and archaeal cellular processes such as adhesion, biofilm formation, motility, cell-cell communication, DNA uptake and horizontal gene transfer to name a few. Here we report on the discovery and structure of the archaeal thread – a remarkably stable archaeal pilus that belongs to a so-far largely unknown class of protein filaments. We find that the filament is highly glycosylated and interconnected via donor strand complementation, as well as isopeptide bonds, reminiscent of bacterial type I pili. Despite striking structural similarity with bacterial type-1 pili, archaeal threads appear to have evolved independently and are likely assembled by a markedly distinct mechanism.

Abstract Microbial communities are shaped by cell-cell interactions. Even though archaea are often found in associations with other microorganisms, the mechanisms structuring these communities are poorly understood. Here we report the structure and function of haloarchaeal contractile injection systems (CISs). Using a combination of functional assays and time lapse imaging, we show that Halogeometricum borinquense exhibits antagonism towards Haloferax volcanii by inducing cell lysis and inhibiting proliferation. This antagonism is contact-dependent and requires a functional CIS, which is encoded by a gene cluster that is associated with toxin-immunity pairs. Cryo-focused ion beam milling and imaging by cryo-electron tomography revealed CISs bound to the cytoplasmic membrane, resembling bacterial type six secretion systems (T6SSs). We show that related T6SS gene clusters are conserved and expressed in other haloarchaeal strains with antagonistic behavior. Our data provides a mechanistic framework for understanding how archaea may shape microbial communities and impact the food webs they inhabit. Teaser T6SSs are widespread in the archaeal domain and used to kill other archaea.

In bacteria and archaea, proteins of the ParA/MinD family of ATPases regulate the spatiotemporal organization of various cellular cargoes, including cell division proteins, motility structures, chemotaxis systems, and chromosomes. In bacteria, such as Escherichia coli , MinD proteins are crucial for the correct placement of the Z-ring at mid-cell during cell division. However, previous studies have shown that none of the 4 MinD homologs present in the archaeon Haloferax volcanii have a role in cell division, suggesting that these proteins regulate different cellular processes in haloarchaea. Here, we show that while deletion of MinD2 in H. volcanii ( ∆minD2 ) does not affect cell growth or division, it impacts cell shape and motility by mispositioning the chemotaxis arrays and archaellum motors. Finally, we explore the links between MinD2 and MinD4, which has been previously shown to modulate the localization of chemosensory arrays and archaella in H. volcanii , finding that the two MinD homologues have synergistic effects in regulating the positioning of the motility machinery. Collectively, our findings identify MinD2 as an important link between cell shape and motility in H. volcanii and further our understanding of the mechanisms by which multiple MinD proteins regulate cellular functions in haloarchaea.

Natural competence requires a contractile pilus system. Here, we provide evidence that the pilus biogenesis and natural competence in cyanobacteria are regulated by the second messenger c-di-AMP. Furthermore, we show that the ComFB signaling protein is a novel c-di-AMP-receptor protein, widespread in bacterial phyla, and required for DNA uptake.

In bacteria and archaea, proteins of the ParA/MinD family of ATPases regulate the spatiotemporal organization of various cellular cargoes, including cell division proteins, motility structures, chemotaxis systems, and chromosomes. In bacteria, such as

Halophilic archaea exchange DNA and proteins using a fusion-based mating mechanism. Scanning electron microscopy previously suggested that mating involves an intermediate state, where cells are connected by an intercellular bridge. To better understand this process, we used electron cryotomography and fluorescence microscopy to visualize cells forming these intercellular bridges. Electron cryo-tomography showed that the observed bridges were enveloped by an S-layer and connected mating cells via a continuous cytoplasm. Macromolecular complexes like ribosomes and unknown thin filamentous helical structures were visualized in the cytoplasm inside the bridges, demonstrating that these bridges can facilitate exchange of cellular components. We followed formation of a cell-cell bridge by fluorescence time-lapse microscopy between cells at a distance of 1.5 µm. These results shed light on the process of haloarchaeal mating and highlight further mechanistic questions.