Abstract Some of the most dangerous bacterial pathogens (Gram-negative and mycobacterial) deploy a formidable secondary membrane barrier to reduce the influx of exogenous molecules. For Gram-negative bacteria, this second exterior membrane is known as the outer membrane, while for the Gram-indeterminate Mycobacteria, it is known as the ‘myco’ membrane. Although different in composition, both the outer membrane and mycomembrane are key structures that restrict the passive permeation of small molecules into bacterial cells. While it is well-appreciated that such structures are principal determinants of small molecule permeation, it has proven to be challenging to assess this feature in a robust and quantitative way or in complex, infection-relevant settings. Herein, we describe the development of the B acterial C hloro- A lkane P enetration A ssay (BaCAPA), which employs the use of a genetically encoded protein called HaloTag, to measure the uptake and accumulation of molecules into model Gram-negative and mycobacterial species, Escherichia coli and Mycobacterium smegmatis, respectively, and into the human pathogen M. tuberculosis. Directing the localization of the HaloTag protein to either the cytoplasm or periplasm of bacteria enabled a compartmental analysis of permeation across individual cell membranes. Significantly, we also showed that BaCAPA can be used to analyze the permeation of molecules into host cell-internalized E. coli and M. tuberculosis, a critical capability for analyzing intracellular pathogens. Together, our results show that BaCAPA affords facile, compartment-specific measurement of permeability across four barriers: the host plasma and phagosomal membranes and the diderm bacterial cell envelope.

Abstract The general lack of permeability of small molecules observed for Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) is most commonly ascribed to its unique cell envelope. More specifically, the outer mycomembrane is hypothesized to be the principal determinant for access of antibiotics to their molecular targets. Nonetheless, there is limited information on the types of molecular scaffolds that can readily permeate past the mycomembrane of mycobacteria. To address this, we describe a novel assay that combines metabolic tagging of the peptidoglycan scaffold, which sits directly beneath the mycomembrane, and a fluorescent labeling chase step, to measure the permeation of small molecules. We showed that the assay workflow was robust and compatible with high-throughput analysis in Mycobacterium smegmatis and Mtb . A small panel of molecules was tested and we found a large range in the permeability profile of molecules. Interestingly, the general trend is similar across the two types of mycobacteria, with some notable exceptions. We anticipate that this assay platform will lay the foundation for medicinal chemistry efforts to understand and improve uptake of both existing drugs and newly-discovered compounds into mycobacteria. The methods described, which do not require genetic manipulation, can be generally adopted to other species for which envelope permeability is treatment-limiting.

Among bacteria used as anticancer vaccines, attenuated