ABSTRACT The bacterial flagellar motor is an intricate nanomachine that switches rotational directions between counterclockwise (CCW) and clockwise (CW) to direct the migration of the cell. The cytoplasmic ring (C-ring) of the motor, which is composed of FliG, FliM, and FliN, is known for controlling the rotational sense of the flagellum. However, the mechanism underlying rotational switching remains elusive. Here, we deployed cryo-electron tomography to visualize the C-ring in two rotational biased mutants (CCW-biased fliG -G214S and CW-locked fliG -G215A) in Vibrio alginolyticus . Sub-tomogram averaging was utilized to resolve two distinct conformations of the C-ring. Comparison of the C-ring structures in two rotational senses provide direct evidence that the C-ring undergoes major structural remodeling during rotational switch. Specifically, FliG conformational changes elicit a large rearrangement of the C-ring that coincides with rotational switching, whereas FliM and FliN form a spiral-shaped base of the C-ring, likely stabilizing the C-ring during the conformational remodeling.

Abstract Bacteria exhibit chemotaxis by controlling flagellar rotation to move toward preferred places or away from non-preferred places. The change in rotation is triggered by the binding of the chemotaxis signaling protein CheY to the C-ring in the flagellar motor. Some specific bacteria, including Vibrio spp. and Shewanella spp. have a single transmembrane protein called ZomB. ZomB is essential for controlling the flagellar rotational direction in Shewanella putrefaciens and Vibrio parahaemolyticus . In this study, we confirmed that the zomB deletion results only in the counterclockwise (CCW) rotation of the motor in Vibrio alginolyticus as previously reported in other bacteria. We found that ZomB is not required for the clockwise (CW) rotation-fixing phenotype caused by mutations in fliG and fliM , and that ZomB is essential for CW rotation induced by overproduction of CheY. Purified ZomB proteins form multimers, indicating that ZomB functions as a complex. ZomB may interact with a protein involved in the flagellar rotation, stator proteins or rotor proteins. We found that ZomB is a new player in chemotaxis and is required for the rotational control in addition to CheY in Vibrio alginolyticus . Importance Bacterial chemotaxis is performed by the control of the flagellar rotation. CheY and ZomB control the rotational direction of the flagellar motor in Vibrio spp. and Shewanella spp. In this study, we characterized ZomB in Vibrio alginolyticus , which is essential for the clockwise rotation of the motor.

ABSTRACT The energy converting complex of the sodium-driven flagellar motor in bacteria comprises two proteins, PomA and PomB, whose transmembrane regions form ion conducting channels and is called the stator complex. The transmembrane protein PomB is attached to the cell wall by its periplasmic region and has a plug segment following the transmembrane helix to prevent ion flux. PomB (Δ41-120), which lacks the periplasmic region from E41 to K120 immediately following its transmembrane region shows similar motility as that of wild-type PomB. In this study, three deletion mutants after the plug region, PomB (Δ61-120), PomB (Δ61-140), and PomB (Δ71-150), were generated and those deletion mutants were examined for their functionality. PomB (Δ61-120) conferred similar motility as that of the wild-type protein, whereas the other two mutants showed almost no motility in soft agar plate; however, we observed some swimming cells with speed similar to that of the wild-type cells. To observe dominance of wild-type proteins, we introduced the two PomB mutants into a wild-type strain, and its ability to swim was not affected by the mutants. Then, we purified the mutant PomAB complexes to confirm the stator formation. When we introduced the PomB mutations in the plug region, the reduced motility by the deletion was rescued, suggesting that the stator was activated. Our results indicate that the deletion prevents stator from transformation to an active form; however, the linker and plug regions from E41 to S150 are not essential for the motor function of PomB but are important for its regulation. IMPORTANCE The stator complex of flagella consists of PomA and PomB proteins and interacts with the rotor complex. PomB has a peptidoglycan binding (PGB) domain to fix the stator for generation of torque. PomB is attached to the cell wall only when the stator is activated by interaction between the cytoplasmic region of PomA and the rotor protein FliG. The flexible linker of PomB, which is a naturally unfolded region, is flanked by the peptidoglycan-binding (PGB) domain and transmembrane region. The plug region, which interacts with the periplasmic loops of PomA to prevent activation of the stator, is located next to its transmembrane region. In this study, we reveal the role of the flexible linker in activation of the stator complex.

Many bacteria swim in liquid or swarm on surface using the flagellum rotated by a motor driven by specific ion flow. The motor consists of the rotor and stator, and the stator converts the energy of ion flow to mechanical rotation. However, the ion pathway and the mechanism of stator rotation coupled with specific ion flow are still obscure. Here, we determined the structures of the Na + -driven stator of Vibrio , namely PomAB, in the presence and absence of sodium ions and the structure with its specific inhibitor, phenamil, by cryo-electron microscopy. The structures and following functional analysis revealed the sodium ion pathway, the mechanism of ion selectivity, and the inhibition mechanism by phenamil. We propose a model of sodium ion flow coupled with the stator rotation based on the structures. This work provides insights into the molecular mechanisms of ion specificity and conversion of the electrochemical potential into mechanical functions.

ABSTRACT The marine bacterium Vibrio alginolyticus has a single flagellum as a locomotory organ at the cell pole, which is rotated by the Na + -motive force to swim in a liquid. The base of the flagella has a motor composed of a stator and rotor, which serves as a power engine to generate torque through the rotor–stator interaction coupled to Na + influx through the stator channel. The MS-ring, which is embedded in the membrane at the base of the flagella as part of the rotor, is the initial structure required for flagellum assembly. It comprises 34 molecules of the two-transmembrane protein FliF. FliG, FliM, and FliN form a C-ring just below the MS-ring. FliG is an important rotor protein that interacts with the stator PomA and directly contributes to force generation. We previously found that FliG promotes MS-ring formation in E. coli . In the present study, we constructed a fliF – fliG fusion gene, which encodes an approximately 100 kDa protein, and the successfully production of this protein effectively formed the MS-ring in E. coli cells. We observed fuzzy structures around the ring using either electron microscopy or high-speed atomic force microscopy (HS-AFM), suggesting that FliM and FliN are necessary for the formation of a stable ring structure. The HS-AFM movies revealed flexible movements at the FliG region. We speculate that this flexibility plays a crucial role in facilitating the interaction between the cytoplasmic region of PomA and FliG to generate force. IMPORTANCE MS-ring is the initial structure to be assembled in flagellar motors. It comprises a complex two-ring (M and S) structure composed of 34 FliF molecules. We prepared a FliF–FliG fusion protein, which is directly involved in force generation. We observed it enabled the efficient formation of the MS-ring. The FliG portion that usually comprises the C-ring along with FliM and FliN displayed high flexibility likely due to the lack of FliM and FliN in the fusion protein. This study represents a significant milestone in the in vitro reconstruction of Na + -driven motor complexes.

ABSTRACT The marine bacterium Vibrio alginolyticus possesses a polar flagellum driven by a sodium ion flow. The main components of the flagellar motor are the stator and rotor. The C-ring and MS-ring, which are composed of FliG and FliF, respectively, are parts of the rotor. Here, we purified an MS-ring composed of FliF–FliG fusion proteins and solved the near-atomic resolution structure of the S-ring—the upper part of the MS-ring—using cryo-electron microscopy. This is the first report of an S-ring structure from Vibrio , whereas, previously, only those from Salmonella have been reported. The Vibrio S-ring structure reveals novel features compared with that of Salmonella , such as tilt angle differences of the RBM3 domain and the β-collar region, which contribute to the vertical arrangement of the upper part of the β-collar region despite the diversity in the RBM3 domain angles. Additionally, there is a decrease of the inter-subunit interaction between RBM3 domains, which influences the efficiency of the MS-ring formation in different bacterial species. Furthermore, although the inner-surface electrostatic properties of Vibrio and Salmonella S-rings are altered, the residues potentially interacting with other flagellar components, such as FliE and FlgB, are well structurally conserved in the Vibrio S-ring. These comparisons clarified the conserved and non-conserved structural features of the MS-ring across different species. IMPORTANCE Understanding the structure and function of the flagellar motor in bacterial species is essential for uncovering the mechanisms underlying bacterial motility and pathogenesis. Our study revealed the structure of the Vibrio S-ring, a part of its polar flagellar motor, and highlighted its unique features compared with the well-studied Salmonella S-ring. The observed differences in the inter-subunit interactions and in the tilt angles between the Vibrio and Salmonella S-rings highlighted the species-specific variations and the mechanism for the optimization of MS-ring formation in the flagellar assembly. By concentrating on the region where the S-ring and the rod proteins interact, we uncovered conserved residues essential for the interaction. Our research contributes to the advancement of bacterial flagellar biology.

Abstract The bacterial flagellum has evolved as one of the most remarkable nanomachines in nature. It provides swimming and swarming motilities that are often essential for the bacterial life cycle and for pathogenesis. Many bacteria such as Salmonella and Vibrio species use flagella as an external propeller to move to favorable environments, while spirochetes utilize internal periplasmic flagella to drive a serpentine movement of the cell bodies through tissues. Here we use cryo-electron tomography to visualize the polar-sheathed flagellum of Vibrio alginolyticus with particular focus on a Vibrio specific feature, the H-ring. We characterized the H-ring by identifying its two components FlgT and FlgO. Surprisingly, we discovered that the majority of flagella are located within the periplasmic space in the absence of the H-ring, which are dramatically different from external flagella in wild-type cells. Our results indicate the H-ring has a novel function in facilitating the penetration of the outer membrane and the assembly of the external sheathed flagella. This unexpected finding is however consistent with the notion that the flagella have evolved to adapt highly diverse needs by receiving or removing accessary genes. Significance Statement Flagellum is the major organelle for motility in many bacterial species. While most bacteria possess external flagella such as the multiple peritrichous flagella found in Escherichia coli and Salmonella enterica or the single polar-sheathed flagellum in Vibrio spp., spirochetes uniquely assemble periplasmic flagella, which are embedded between their inner and outer membranes. Here, we show for the first time that the external flagella in Vibrio alginolyticus can be changed as periplasmic flagella by deleting two flagellar genes. The discovery here may provide a new paradigm to understand the molecular basis underlying flagella assembly, diversity, and evolution.