Abstract Multi-resistant bacteria are a major threat in modern medicine. The gram-negative coccobacillus Acinetobacter baumannii currently leads the WHO list of pathogens in critical need for new therapeutic development. The maintenance of lipid asymmetry (MLA) protein complex is one of the core machineries that transport lipids from/to the outer membrane in gram-negative bacteria. It also contributes to broad-range antibiotic resistance in several pathogens, most prominently in A. baumannii . Nonetheless, the molecular details of its role in lipid transport has remained largely elusive. Here, we report the cryo-EM structures of the core MLA complex, MlaBDEF, from the pathogen A. baumannii , in the apo-, ATP- and ADB-bound states. These structures reveal multiple lipid binding sites, in the cytosolic and periplasmic side of the complex. Molecular dynamics simulations suggest their potential trajectory across the membrane. Collectively with the recently-reported structures of the E.coli orthologue, these data also allows us to propose a molecular mechanism of lipid transport by the MLA system.

The bacterial flagellum is a remarkable molecular motor, present at the surface of many bacteria, whose primary function is to allow motility through the rotation of a long filament protruding from the bacterial cell. A cap complex, consisting of an oligomeric assembly of the protein FliD, is localized at the tip of the flagellum, and is essential for filament assembly, as well as adherence to surfaces in some bacteria. However, the structure of the intact cap complex, and the molecular basis for its interaction with the filament, remains elusive. Here we report the cryo-EM structure of the Campylobacter jejuni cap complex. This structure reveals that FliD is pentameric, with the N-terminal region of the protomer forming an unexpected extensive set of contacts across several subunits, that contribute to FliD oligomerization. We also demonstrate that the native C. jejuni flagellum filament is 11-stranded and propose a molecular model for the filament-cap interaction.

Spores, the infectious agents of many Firmicutes, are remarkably resilient cell forms. Even distant relatives have similar spore architectures incorporating protective proteinaceous envelopes. We reveal in nanometer detail how the outer envelope (exosporium) in Clostridium sporogenes (surrogate for C. botulinum group I), and in other Clostridial relatives, forms a hexagonally symmetric molecular filter. A cysteine-rich protein, CsxA, when expressed in E. coli, self-assembles into a highly thermally stable structure identical to native exosporium. Like exosporium, CsxA arrays require harsh reducing conditions for disassembly. We conclude that in vivo, CsxA self-organises into a highly resilient, disulphide cross-linked array decorated with additional protein appendages enveloping the forespore. This pattern is remarkably similar in Bacillus spores, despite lack of protein homology. In both cases, intracellular disulphide formation is favoured by the high lattice symmetry. We propose that cysteine-rich proteins identified in distantly related spore formers may adopt a similar strategy for intracellular assembly of robust protective structures.

Abstract The efficient segregation of replicated genetic material is an essential step for cell division. In eukaryotic cells, sister chromatids are separated via the mitotic spindles. In contrast, bacterial cells use several evolutionarily-distinct genome segregation systems. The most common of these is the Type I Par system. It consists of an adapter protein, ParB, that binds to the DNA cargo via interaction with the parS DNA sequence; and an ATPase, ParA, that binds nonspecific DNA and mediates cargo transport. However, the molecular details of how this system functions are not well understood. Here, we report the cryo-EM structure of a ParA filament bound to its DNA template, using the chromosome 2 (Chr2) of Vibrio cholerae as a model system. We also report the crystal structures of this protein in various nucleotide states, which collectively offer insight into its conformational changes from dimerization through to DNA binding and filament assembly. Specifically, we show that the ParA dimer is stabilized by nucleotide binding, and forms a left-handed filament using DNA as a scaffold. Our structural analyses also reveal dramatic structural rearrangements upon DNA binding and filament assembly. Finally, we show that filament formation is controlled by nucleotide hydrolysis. Collectively, our data provide the structural basis for ParA’s cooperative binding to DNA and the formation of high ParA density regions on the nucleoid, and suggest a role for its filament formation.

Determining the structure-function relationships of protein aggregates is a fundamental challenge in biology. These aggregates, whether formed in vitro, within cells, or in living organisms, present significant heterogeneity in their molecular features such as size, structure, and composition, making it difficult to determine how their structure influences their functions. Interpreting how these molecular features translate into functional roles is crucial for understanding cellular homeostasis and the pathogenesis of various debilitating diseases like Alzheimer's and Parkinson's. In this study, a bottom-up approach is introduced to explore how variations in protein aggregates' size, composition, post-translational modifications and point mutations profoundly influence their biological functions. Applying this method to Alzheimer's and Parkinson's associated proteins, novel disease-relevant pathways are uncovered, demonstrating how subtle alterations in composition and morphology can shift the balance between healthy and pathological states. This findings provide deeper insights into the molecular basis of protein's functions at the single-aggregate level, enhancing the knowledge of their roles in health and disease.