Significance Bacterial nanowires from Shewanella oneidensis MR-1 were previously shown to be conductive under nonphysiological conditions. Intense debate still surrounds the molecular makeup, identity of the charge carriers, and cellular respiratory impact of bacterial nanowires. In this work, using in vivo fluorescence measurements, immunolabeling, and quantitative gene expression analysis, we demonstrate that S. oneidensis MR-1 nanowires are extensions of the outer membrane and periplasm, rather than pilin-based structures, as previously thought. We also demonstrate that the outer membrane multiheme cytochromes MtrC and OmcA localize to these membrane extensions, directly supporting one of the two models of electron transport through the nanowires; consistent with this, production of bacterial nanowires correlates with an increase in cellular reductase activity.

Abstract Using a series of multiheme cytochromes, the metal-reducing bacterium Shewanella oneidensis MR-1 can perform extracellular electron transfer (EET) to respire redox-active surfaces, including minerals and electrodes outside the cell. While the role of multiheme cytochromes in transporting electrons across the cell wall is well established, these cytochromes were also recently found to facilitate long-distance (micrometer-scale) redox conduction along outer membranes and across multiple cells bridging electrodes. Recent studies proposed that long-distance conduction arises from the interplay of electron hopping and cytochrome diffusion, which allows collisions and electron exchange between cytochromes along membranes. However, the diffusive dynamics of the multiheme cytochromes have never been observed or quantified in vivo , making it difficult to assess their hypothesized contribution to the collision-exchange mechanism. Here we use quantum dot labeling, total internal reflection fluorescence microscopy, and single-particle tracking to quantify the lateral diffusive dynamics of the outer membrane-associated decaheme cytochromes MtrC and OmcA, two key components of EET in S. oneidensis . We observe confined diffusion behavior for both quantum dot-labeled MtrC and OmcA along cell surfaces (diffusion coefficients D MtrC = 0.0192 ± 0.0018 μm 2 /s, D OmcA = 0.0125 ± 0.0024 μm 2 /s) and the membrane extensions thought to function as bacterial nanowires. We find that these dynamics can trace a path for electron transport via overlap of cytochrome trajectories, consistent with the long-distance conduction mechanism. The measured dynamics inform kinetic Monte Carlo simulations that combine direct electron hopping and redox molecule diffusion, revealing significant electron transport rates along cells and membrane nanowires. Significance Multiheme cytochromes in Shewanella oneidensis MR-1 transport electrons across the cell wall, in a process called extracellular electron transfer. These electron conduits can also enable electron transport along and between cells. While the underlying mechanism is thought to involve a combination of electron hopping and lateral diffusion of cytochromes along membranes, these diffusive dynamics have never been observed in vivo . Here, we observe the mobility of quantum dot-labeled cytochromes on living cell surfaces and membrane nanowires, quantify their diffusion with single-particle tracking techniques, and simulate the contribution of these dynamics to electron transport. This work reveals the impact of redox molecule dynamics on bacterial electron transport, with implications for understanding and harnessing this process in the environment and bioelectronics.

How complex, multi-component macromolecular machines evolved remains poorly understood. Here we reveal the evolutionary origins of the chemosensory machinery that controls flagellar motility in Escherichia coli . We first identified ancestral forms still present in Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Shewanella oneidensis and Methylomicrobium alcaliphilum , characterizing their structures by electron cryotomography and finding evidence that they function in a stress response pathway. Using bioinformatics, we then traced the evolution of the system through γ-Proteobacteria, pinpointing key evolutionary events that led to the machine now seen in E. coli. Our results suggest that two ancient chemosensory systems with different inputs and outputs (F6 and F7) existed contemporaneously, with one (F7) ultimately taking over the inputs and outputs of the other (F6), which was subsequently lost.

The self-assembly of cellular macromolecular machines such as the bacterial flagellar motor requires the spatio- temporal synchronization of gene expression, protein localization and association of a dozen or more unique components. In Salmonella and Escherichia coli, a sequential, outward assembly mechanism has been proposed for the flagellar motor starting from the inner membrane, with each subsequent component stabilizing the last. Here, using electron cryo-tomography of intact Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa and Shewanella oneidensis cells, we observe stable outer-membrane-embedded sub-complexes of the flagellar motor. These sub- complexes consist of the periplasmic embellished P- and L-rings, in the absence of other flagellar components, and bend the membrane inward dramatically. Additionally, we also observe independent inner-membrane sub- complexes consisting of the C- and MS-rings and export apparatus. These results suggest an alternate model for flagellar motor assembly in which outer- and inner-membrane-associated sub-complexes form independently and subsequently join, enabling later steps of flagellar production to proceed.

The bacterial flagellar motor is a cell-envelope-embedded macromolecular machine that functions as a propeller to move the cell. Rather than being an invariant machine, the flagellar motor exhibits significant variability between species, allowing bacteria to adapt to, and thrive in, a wide range of environments. For instance, different torque- generating stator modules allow motors to operate in conditions with different pH and sodium concentrations and some motors are adapted to drive motility in high-viscosity environments. How such diversity evolved is unknown. Here we use electron cryo-tomography to determine the in situ macromolecular structures of the flagellar motors of three Gammaproteobacteria species: Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, and Shewanella oneidensis MR-1, providing the first views of intact motors with dual stator systems. Complementing our imaging with bioinformatics analysis, we find a correlation between the stator system of the motor and its structural complexity. Motors with a single H+-driven stator system have only the core P- and L-rings in their periplasm; those with dual H+-driven stator systems have an extra component elaborating their P-ring; and motors with Na+- (or dual Na+-H+)- driven stator systems have additional rings surrounding both their P- and L-rings. Our results suggest an evolution of structural complexity that may have enabled pathogenic bacteria like L. pneumophila and P. aeruginosa to colonize higher-viscosity environments in animal hosts.

While typically investigated as a microorganism capable of extracellular electron transfer to minerals or anodes, Shewanella oneidensis MR-1 can also facilitate electron flow from a cathode to terminal electron acceptors such as fumarate or oxygen, thereby providing a model systems for a process that has significant environmental and technological implications. This work demonstrates that cathodic electrons enter the electron transport chain of S. oneidensis when oxygen is used as the terminal electron acceptor. The effect of electron transport chain inhibitors suggested that a proton gradient is generated during cathode-oxidation, consistent with the higher cellular ATP levels measured in cathode-respiring cells relative to controls. Cathode oxidation also correlated with an increase in the cellular redox (NADH/FMNH2) pool using a bioluminescent assay. Using a proton uncoupler, generation of NADH/FMNH2 under cathodic conditions was linked to reverse electron flow mediated by the proton pumping NADH oxidase Complex I. A decrease in cathodic electron uptake was observed in various mutant strains including those lacking the extracellular electron transfer components necessary for anodic current generation. While no cell growth was observed under these conditions, here we show that cathode oxidation is linked to cellular energy conservation, resulting in a quantifiable reduction in cellular decay rate. This work highlights a potential mechanism for cell survival and/or persistence in environments where growth and division are severely limited.

The metal-reducing bacterium Shewanella oneidensis MR-1 produces extensions of its outer membrane (OM) and periplasm that contain cytochromes responsible for extracellular electron transfer (EET) to external redox-active surfaces, including minerals and electrodes. While the role of multi-heme cytochromes in transporting electrons across the cell wall is well established, their distribution along S. oneidensis OM extensions is also thought to allow lateral electron transport along these filaments. These proposed bacterial nanowires, which can be several times the cell length, would thereby extend EET to more distant electron acceptors. However, it is still unclear why these extensions form, and to what extent they contribute to respiration in living cells. Here, we investigate physical contributors to their formation using in vivo fluorescence microscopy. While previous studies focused on the display of S. oneidensis outer membrane extensions (OMEs) as a response to oxygen limitation, we find that cell-to-surface contact is sufficient to trigger the production of OMEs, including some that reach >100 µm in length, irrespective of medium composition, agitation, or aeration. To visualize the extent of heme redox centers along OMEs, and help distinguish these structures from other extracellular filaments, we also performed histochemical redox-dependent staining with transmission electron microscopy on wild type and cytochrome-deficient strains. We demonstrate that redox-active components are limited to OMEs and not present on other extracellular appendages, such as pili and flagella. We also observed that the loss of 8 functional periplasmic and outer membrane cytochromes significantly decreased both the frequency and intensity of redox-dependent staining found widespread on OMEs. These results will improve our understanding of the environmental conditions that influence the formation of S. oneidensis OMEs, as well as the distribution and functionality of EET components along extracellular appendages.

Extracellular electron transfer (EET) allows microorganisms to gain energy by linking intracellular reactions to external surfaces ranging from natural minerals to the electrodes of bioelectrochemical renewable energy technologies. In the past two decades, electrochemical techniques have been used to investigate EET in a wide range of microbes, with emphasis on dissimilatory metal-reducing bacteria, such as Shewanella oneidensis MR-1, as model organisms. However, due to the typically bulk nature of these techniques, they are unable to reveal the subpopulation variation in EET or link the observed electrochemical currents to energy gain by individual cells, thus overlooking the potentially complex spatial patterns of activity in bioelectrochemical systems. Here, to address these limitations, we use the cell membrane potential as a bioenergetic indicator of EET by S. oneidensis MR-1 cells. Using a fluorescent membrane potential indicator during in vivo single-cell level fluorescence microscopy in a bioelectrochemical reactor, we demonstrate that membrane potential strongly correlates with the electrode potential, produced current, and position of cells relative to the electrodes. The high spatial and temporal resolution of the reported technique can be used to study the single-cell level dynamics of EET not only on electrode surfaces, but also during respiration of other solid-phase electron acceptors.

Bacterial nanowires have garnered recent interest as a proposed Extracellular Electron Transfer (EET) pathway that links the bacterial electron transport chain to solid-phase electron acceptors away from the cell. In vivo fluorescence Light Microscopy (fLM) imaging recently showed that Shewanella oneidensis MR-1 nanowires are extensions of the outer membrane that contain EET components. However, their fine structure and distribution of cytochrome electron carriers remained unclear, making it difficult to evaluate the electron transport mechanism along the nanowires. Here, we report high-resolution images of nanowires using Electron Cryo-Tomography (ECT). We developed a robust method for fLM imaging of nanowire growth on electron microscopy grids and used correlative light and electron microscopy to identify and image the same nanowires by ECT. Our results confirm that S. oneidensis nanowires are outer membrane extensions, and further reveal that nanowires are dynamic chains of interconnected Outer Membrane Vesicles (OMVs) with variable dimensions, curvature, and extent of tubulation. Junction densities that potentially stabilize OMV chains are seen between neighboring vesicles in cryotomograms. Our ECT results also provide the first hints of the positions and packing of periplasmic and outer membrane proteins consistent with cytochromes. We observe tight packing of putative cytochromes along lateral patches that extend tens of nanometers, but not across the micrometer scale of whole nanowires. We therefore propose that electron transfer along nanowires involves a combination of direct hopping and diffusive events that link neighboring redox proteins.