Many bacteria possess an external polysaccharide 'capsule' that helps them evade the host immune system and colonize surfaces. As a point of contact between host and pathogen, the capsule is a potential target for vaccines and other therapies. The three-dimensional structure of Wza, a protein responsible for exporting a capsular polysaccharide in Escherichia coli, has now been determined. Most of the protein is located in the periplasm, the space between the inner plasma membrane and the outer cellular membrane, and the protein contains a large central cavity through which the polysaccharide is transported. The X-ray crystal structure of the 340-kDa octamer of Wza, essential for group 1 capsule export in Escherichia coli, is determined. A large portion of Wza is located in the periplasm and the protein contains a large central cavity, through which capsular polysaccharides are translocated. Many types of bacteria produce extracellular polysaccharides (EPSs). Some are secreted polymers and show only limited association with the cell surface, whereas others are firmly attached to the cell surface and form a discrete structural layer, the capsule, which envelopes the cell and allows the bacteria to evade or counteract the host immune system1. EPSs have critical roles in bacterial colonization of surfaces2, such as epithelia and medical implants; in addition some EPSs have important industrial and biomedical applications in their own right3. Here we describe the 2.26 Å resolution structure of the 340 kDa octamer of Wza, an integral outer membrane lipoprotein, which is essential for group 1 capsule export in Escherichia coli. The transmembrane region is a novel α-helical barrel. The bulk of the Wza structure is located in the periplasm and comprises three novel domains forming a large central cavity. Wza is open to the extracellular environment but closed to the periplasm. We propose a route and mechanism for translocation of the capsular polysaccharide. This work may provide insight into the export of other large polar molecules such as DNA and proteins.

Significance ATP-binding cassette (ABC) exporters transport substrates by an alternating access mechanism that is driven by ATP binding and hydrolysis. The general mechanism is a motion from an inward to an outward state, with a different intertwining of the half-transporters in both states. In this study we determined the function and crystal structure of the ABC exporter McjD that exports the antibacterial peptide microcin J25. Our structure represents a novel nucleotide-bound, outward-occluded state. It does not possess subunit intertwining and shows a well-defined binding cavity that is closed to all sides, consistent with it being an intermediate between the inward- and outward-facing state. Our structure provides valuable insights in a transition state of an ABC exporter.

Abstract Mutations in outer membrane porins act in synergy with carbapenemase enzymes to increase carbapenem resistance in the important nosocomial pathogen, Klebsiella pneumoniae (KP). A key example is a di-amino acid insertion, Glycine-Aspartate (GD), in the extracellular loop 3 (L3) region of OmpK36 which constricts the pore and restricts entry of carbapenems into the bacterial cell. Here we combined genomic and experimental approaches to characterise the diversity, spread and impact of different L3 insertion types in OmpK36. We identified L3 insertions in 3588 (24.1%) of 14,888 KP genomes with an intact ompK36 gene from a global collection. GD insertions were most common, with a high concentration in the ST258/512 clone that has spread widely in Europe and the Americas. Aspartate (D) and Threonine-Aspartate (TD) insertions were prevalent in genomes from Asia, due in part to acquisitions by ST16 and ST231 and subsequent clonal expansions. By solving the crystal structures of novel OmpK36 variants, we found that the TD insertion causes a pore constriction of 41%, significantly greater than that achieved by GD (10%) or D (8%), resulting in the highest levels of resistance to selected antibiotics. In a murine pneumonia model, KP mutants harbouring L3 insertions have a competitive disadvantage relative to a strain expressing wild-type OmpK36 in the absence of antibiotics. This explains the reversion of GD and TD insertions observed at low frequency among KP genomes. Finally, we demonstrate that strains expressing L3 insertions remain susceptible to drugs targeting carbapenemase-producing KP, including novel beta lactam-beta lactamase inhibitor combinations. This study provides a contemporary global view of OmpK36-mediated resistance mechanisms in KP, integrating surveillance and experimental data to guide treatment and drug development strategies. Author summary Rapidly rising rates of antibiotic resistance among Klebsiella pneumoniae (KP) necessitate a comprehensive understanding of the diversity, spread and clinical impact of resistance mutations. In KP, mutations in outer membrane porins play an important role in mediating resistance to carbapenems, a key class of antibiotics. Here we show that resistance mutations in the extracellular loop 3 (L3) region of the OmpK36 porin are found at high prevalence among clinical genomes and we characterise their diversity and impact on resistance and virulence. They include amino acid insertions of Aspartate (D), Glycine-Aspartate (GD) and Threonine-Aspartate (TD), which act by decreasing the pore size and restricting entry of carbapenems into the bacterial cell. We show that these L3 insertions are associated with large clonal expansions of resistant lineages and impose only a low fitness cost. Critically, strains harbouring L3 insertions remain susceptible to novel drugs, including beta lactam-beta lactamase inhibitor combinations. This study highlights the importance of monitoring the emergence and spread of strains with OmpK36 L3 insertions for the control of resistant KP infections and provides crucial data for drug development and treatment strategies.

Abstract We investigated the mechanism of conjugal transfer of the endemic Klebsiella pneumoniae carbapenem resistance plasmid, pKpQIL. Transfer efficiency of this plasmid was found to be dependent on the expression of the major outer membrane porin, OmpK36, in recipient cells. We also found that conjugal uptake is reduced in recipients expressing an OmpK36 isoform associated with the globally pervasive K. pneumoniae ST258 clade (OmpK36 ST258 ). This reduction was attributed to a glycine-aspartate insertion in loop 3 of OmpK36 ST258 , which constricts the pore by 26%. Deletion of finO , which encodes an RNA-binding protein, derepressed transfer of pKpQIL and enabled visualisation of the conjugation pilus and OmpK36-dependent conjugation in real time. While deletion of traN abolished pKpQIL conjugation, substituting traN in pKpQIL with its homologue from R100-1 circumvented OmpK36 dependency. These results suggest that OmpK36 in recipient K. pneumoniae and the pKpQIL-encoded TraN in donor bacteria cooperate to facilitate plasmid transfer. This is the first report since 1998 to suggest a novel recipient cell receptor for IncF plasmid transfer and supports the idea that TraN mediates receptor specificity for plasmids belonging to this incompatibility group.

Abstract Conjugation plays a major role in dissemination of antimicrobial resistance genes. Following transfer of IncF-like plasmids, recipients become refractory to a second wave of conjugation with the same plasmid via entry (TraS) and surface (TraT) exclusion mechanisms. Here, we show that TraT from the pKpQIL and F plasmids (TraT pKpQIL and TraT F ) exhibits plasmid surface exclusion specificity. The cryo-EM structures of TraT pKpQIL and TraT F revealed that they oligomerise into decameric champagne bottle cork-like structures, which are anchored to the outer membrane via a diacylglycerol modified α-helical barrel domain. Unexpectedly, we identified chromosomal TraT homologues from multiple Gram-negative phyla which formed numerous deep-branching lineages in a phylogenetic tree of TraT sequences. Plasmid-associated TraT sequences largely cluster into two separate lineages that have more recently evolved, incorporating TraT from Enterobacterales IncF and Legionellaceae F-like plasmids. These findings suggest that different plasmid backbones have acquired and co-opted TraT on independent occasions.

ABSTRACT Phazolicin (PHZ) is a peptide antibiotic exhibiting narrow-spectrum activity against rhizobia closely related to its producer Rhizobium sp. Pop5. Using genetic and biochemical techniques, we here identified BacA and YejABEF as two importers of PHZ in a sensitive model strain Sinorhizobium meliloti Sm1021. BacA and YejABEF are members of SLiPT and ABC transporter families of non-specific peptide importers, respectively. The uptake of PHZ by two distinct families of transporters dramatically decreases the naturally occurring rate of resistance. Moreover, since both BacA and YejABEF are essential for the development of functional symbiosis of rhizobia with leguminous plants, the acquisition of PHZ resistance via the inactivation of transporters is further disfavoured since single bacA or yejABEF mutants are unable to propagate in root nodules. Crystal structures of the periplasmic subunit YejA from S. meliloti and Escherichia coli revealed fortuitous bound peptides, suggesting a non-specific peptide-binding mechanism that facilitates the uptake of PHZ and other antimicrobial peptides. SIGNIFICANCE Many bacteria produce antimicrobial peptides to eliminate competitors and create an exclusive niche. These peptides kill bacteria by either membrane disruption or inhibiting essential intracellular processes. The Achilles heel of the latter type of antimicrobials is their dependence on transporters to enter the susceptible bacteria since mutations in such transporters result in resistance. We describe here how the ribosome-targeting peptide phazolicin, produced by Rhizobium sp. Pop5, uses two different transporters, BacA and YejABEF, to get into the cells of the symbiotic bacterium Sinorhizobium meliloti . This dramatically reduces the probability of resistance acquisition. Both transporters need to be inactivated for phazolicin resistance acquisition. Since these transporters are also crucial in S. meliloti for its symbiotic association with host plants, their inactivation in biological settings is highly unlikely. This makes PHZ an attractive lead for the development of a biocontrol agent with potential for use in agriculture.

Super-resolution fluorescence microscopy achieves 20-30 nm resolution by using liquid-immersion objectives to optimize light collection and chemical sample fixation to minimize image blurring. It is known that fluorophore brightness increases substantially under cryogenic conditions and that cryo-fixation is far superior in preserving ultrastructure. However, cryogenic conditions have not been exploited to improve resolution or sample quality because liquid immersion media freezes at the objective, losing its optical properties. Here, simply by replacing the immersion fluid with a low-cost super-hemispherical solid immersion lens (superSIL), we effortlessly achieve <8 nm localisation precision and 12 nm resolution under cryogenic conditions in a low-cost, low-tech system. This is to our knowledge the best resolution yet attained in biological samples. Furthermore, we demonstrate multicolour imaging and show that the inexpensive setup outperforms 10-fold more costly super-resolution microscopes. By also removing the barrier to total internal reflection fluorescence imaging of mammalian cells under cryogenic conditions, superSIL microscopy delivers a straightforward route to achieve unmatched nanoscale resolution on both bacterial and mammalian cell samples, which any laboratory can effortlessly and inexpensively implement.