Bacterial cells take a variable lag time and maintain a multi-drug tolerant non-growing state before resuming growth when encountering growth-supportive conditions. Some of them exhibit an extraordinarily long lag, as pathogenic persisters do. It remains unknown on what determines lag time duration. Here, we unveiled a subcellular structure, termed quiescent body, that is formed in bacterial cells entering non-growing state and sequesters selected proteins essential for cell growth. Their formation occurs progressively in each cell and heterogeneously among individual cells. They dissolve only in re-growing cells to release proteins for immediate re-functioning when conditions become fit. Quiescent body, whose degree of formation is highly correlated with duration of lag time or level of antibiotic tolerance, apparently functions as a biological timer for bacterial growth resumption. Further, suppressing their formation, which directly relies on respiratory complexes, or promoting their dissolution might be a viable strategy to eradicate persisters.

Bacteria have long been recognized to be capable of entering a phenotypically non-growing persister state, in which the cells exhibit an extended regrowth lag and a multidrug tolerance, thus posing a great challenge in treating infectious diseases. Owing to their non-inheritability, low abundance of existence, lack of metabolic activities, and high heterogeneity, properties of persisters remain poorly understood. Here, we report our accidental discovery of a hitherto unreported subcellular structure that we term the regrowth-delay body, which is formed only in non-growing bacterial cells and sequesters multiple key proteins. As of now, this structure, that dissolves when the cell resumes growth, is the most distinguishable subcellular structure marking persisters. Our studies also indicate that persisters exhibit different depth of persistence, as determined by the status of their regrowth-delay bodies. Our findings imply that suppressing the formation and/or promoting the dissolution of regrowth-delay bodies could be viable strategies for eradicating persisters.

ATP synthase, a highly conserved multi-subunit enzyme complex having a common stoichiometry of α3β3γδϵab2c8-15, functions to supply ATP as the universal energy currency for cells. It comprises of the peripheral F1 sector (α3β3γδϵ) and the membrane-integrated Fo sector (ab2c8-15). In vitro structural analyses revealed that the C-terminal domain of the ϵ-subunit could adopt either an "inserted" or "non-inserted" state (with or without interacting with the α/β-subunits), with the former being viewed as inhibitory for the ATP hydrolysis activity of ATP synthase. Nevertheless, as common in current protein researches, the physiological relevance of such an "inserted" state for ATP synthase functioning is hardly known. To decipher this, designed an unnatural amino acid-mediated living-cell protein photocrosslinking analysis pipeline by developing the scarless genome-targeted site-directed mutagenesis and the high-throughput gel polyacrylamide gel electrophoresis (HT-PAGE) techniques. Employing this powerful approach, we systematically examined the interactions involving the C-terminal helix of the ϵ-subunit in cells living under a variety of experimental conditions. These studies enabled us to uncover that the "inserted" and "non-inserted" states of the ϵ-subunit exist as an equilibrium in cells cultured under common experimental conditions, shifting to the former upon the appearance of unfavorable conditions, acting as a low-gear state to strengthen the ATP synthesis function. Such a fine-tuning mechanism allows the ATP synthase to reversibly and instantly switch between two functional states. Further, the two powerful techniques that we developed here might be applied to many aspects of protein researches.