Identification of bacterial protein-protein interactions and predicting the structures of the complexes could aid in the understanding of pathogenicity mechanisms and developing treatments for infectious diseases. Here, we developed a deep learning-based pipeline that leverages residue-residue coevolution and protein structure prediction to systematically identify and structurally characterize protein-protein interactions at the proteome-wide scale. Using this pipeline, we searched through 78 million pairs of proteins across 19 human bacterial pathogens and identified 1923 confidently predicted complexes involving essential genes and 256 involving virulence factors. Many of these complexes were not previously known; we experimentally tested 12 such predictions, and half of them were validated. The predicted interactions span core metabolic and virulence pathways ranging from post-transcriptional modification to acid neutralization to outer membrane machinery and should contribute to our understanding of the biology of these important pathogens and the design of drugs to combat them.

Abstract Glutathione (GSH) is an abundant metabolite that can act as a signal, a nutrient source, or serve in a redox capacity for intracellular pathogens. For Francisella, GSH is thought to be a critical in vivo source of cysteine; however, the cellular pathways permitting GSH utilization by Francisella differ between strains and have remained poorly understood. Using genetic screening, we discovered a unique pathway for GSH utilization in Francisella spp. Whereas prior work suggested GSH catabolism initiates in the periplasm, the pathway we define consists of a major facilitator superfamily member that transports intact GSH and a previously unrecognized bacterial cytoplasmic enzyme that catalyzes the first step of GSH degradation. Interestingly, we find that the transporter gene for this pathway is pseudogenized in pathogenic Francisella, explaining phenotypic discrepancies in GSH utilization among Francisella spp. and revealing a critical role for GSH in the environmental niche of these bacteria.

The study of bacteria has yielded fundamental insights into cellular biology and physiology, biotechnological advances and many therapeutics. Yet due to a lack of suitable tools, the significant portion of bacterial diversity held within the candidate phyla radiation (CPR) remains inaccessible to such pursuits. Here we show that CPR bacteria belonging to the phylum Saccharibacteria exhibit natural competence. We exploit this property to develop methods for their genetic manipulation, including the insertion of heterologous sequences and the construction of targeted gene deletions. Imaging of fluorescent protein-labeled Saccharibacteria provides high spatiotemporal resolution of phenomena accompanying epibiotic growth and a transposon insertion sequencing genome-wide screen reveals the contribution of enigmatic Saccharibacterial genes to growth on their Actinobacteria hosts. Finally, we leverage metagenomic data to provide cutting-edge protein structure-based bioinformatic resources that support the strain Southlakia epibionticum and its corresponding host, Actinomyces israelii , as a model system for unlocking the molecular underpinnings of the epibiotic lifestyle.

The Streptomyces are a genus of ubiquitous soil bacteria from which the majority of clinically utilized antibiotics derive. The production of these antibacterial molecules reflects the relentless competition Streptomyces engage in with other bacteria, including other Streptomyces species. Here we show that in addition to small molecule antibiotics, Streptomyces produce and secrete antibacterial protein complexes that feature a large, degenerate repeat-containing polymorphic toxin protein. A cryo-EM structure of these particles reveals an extended stalk topped by a ringed crown comprising the toxin repeats scaffolding five lectin-tipped spokes, leading to our naming them umbrella particles. S. coelicolor encodes three umbrella particles with distinct toxin and lectin composition, and supernatant containing these toxins specifically and potently inhibits the growth of select Streptomyces species from among a diverse collection of bacteria screened. For one target, S. griseus, we find inhibition relies on a single toxin and that intoxication manifests as rapid cessation of vegetative mycelial growth. Our data show that Streptomyces umbrella particles mediate competition between vegetative mycelia of related species, a function distinct from small molecule antibiotics, which are produced at the onset of reproductive growth and act broadly. Sequence analyses suggest this role of umbrella particles extends beyond Streptomyces, as we find umbrella loci in nearly one-thousand species across Actinobacteria.