Summary The bacterial flagellum is the proto-typical protein nanomachine and comprises a rotating helical propeller attached to a membrane-embedded motor complex 1 . The motor consists of a central rotor surround by stator units that couple ion flow across the cytoplasmic membrane to torque generation. Here we present the structures of stator complexes from multiple bacterial species, allowing interpretation of the extensive body of data on stator mechanism. The structures reveal an unexpected asymmetric A 5 B 2 subunit assembly in which the five A subunits enclose the two B subunits. Comparison to novel structures of other ion-driven motors indicates that this A 5 B 2 architecture is fundamental to bacterial systems that couple energy from ion-flow to generate mechanical work at a distance, and suggests that such events involve rotation in the motor structures.

Summary Ion-driven motors are rare in biology. The archetypes of the three classes identified to date are ATP synthase, the bacterial flagellar motor, and a proton-driven motor that powers gliding motility and protein secretion in Bacteroidetes bacteria. Whilst the molecular mechanism of ATP synthase is now well understood, structural information is lacking for the other two classes of motor. Here we present the structure of the Bacteroidetes gliding motility motor determined by cryo-electron microscopy. The motor is an asymmetric inner membrane protein complex in which the single transmembrane helices of two periplasm-spanning GldM proteins are positioned within a ring of five GldL proteins. Combining mutagenesis and single-molecule tracking, we identify protonatable amino acid residues within the transmembrane domain of the complex that are important for motor function. Our data imply a mechanism in which proton flow leads the periplasm-spanning GldM dimer to rotate with respect to the intra-membrane GldL ring to drive processes at the bacterial outer membrane. This work provides a molecular basis for understanding how the gliding motility motor is able to transduce the energy of the inner membrane protonmotive force across the bacterial cell envelope.

Abstract Gliding motility using cell surface adhesins and export of proteins by the Type IX Secretion System (T9SS) are two phylum-specific features of the Bacteroidetes . Both of these processes are energized by the GldLM motor complex which transduces the protonmotive force at the inner membrane into mechanical work at the outer membrane. We previously used cryo-electron microscopy to solve the structure of the GldLM motor core from Flavobacterium johnsoniae at 3.9 Å resolution ( Nat Microbiol (2021) 6: 221-233). Here we present structures of homologous complexes from a range of pathogenic and environmental Bacteroidetes species at up to 3.0 Å resolution. These structures show that the architecture of the GldLM motor core is conserved across the Bacteroidetes phylum although there are species-specific differences at the N-terminus of GldL. The resolution improvements reveal a cage-like structure that ties together the membrane-proximal cytoplasmic region of GldL and influences gliding function. These findings add detail to our structural understanding of bacterial ion-driven motors that drive the T9SS and gliding motility. Importance Many bacteria in the Bacteroidetes phylum use the Type IX Secretion System to secrete proteins across their outer membrane. Most of these bacteria can also glide across surfaces using adhesin proteins that are propelled across the cell surface. Both secretion and gliding motility are driven by the GldLM protein complex which forms a nanoscale electrochemical motor. We used cryo-electron microscopy to study the structure of the GldLM protein complex from different species including the human pathogens Porphyromonas gingivalis and Capnocytophaga canimorsus . The organisation of the motor is conserved across species, but we find species-specific structural differences and resolve motor features at higher resolution. This work improves our understanding of the Type IX Secretion System, which is a virulence determinant in human and animal diseases.