Gram-negative bacteria possess a complex cell envelope that consists of a plasma membrane, a peptidoglycan cell wall and an outer membrane. The envelope is a selective chemical barrier1 that defines cell shape2 and allows the cell to sustain large mechanical loads such as turgor pressure3. It is widely believed that the covalently cross-linked cell wall underpins the mechanical properties of the envelope4,5. Here we show that the stiffness and strength of Escherichia coli cells are largely due to the outer membrane. Compromising the outer membrane, either chemically or genetically, greatly increased deformation of the cell envelope in response to stretching, bending and indentation forces, and induced increased levels of cell lysis upon mechanical perturbation and during L-form proliferation. Both lipopolysaccharides and proteins contributed to the stiffness of the outer membrane. These findings overturn the prevailing dogma that the cell wall is the dominant mechanical element within Gram-negative bacteria, instead demonstrating that the outer membrane can be stiffer than the cell wall, and that mechanical loads are often balanced between these structures. The outer membrane of Gram-negative bacteria is shown to be at least as stiff as the cell wall, and this property enables it to protect cells from mechanical pertubations.

Genomic technologies have significantly advanced our understanding of the composition and diversity of host-associated microbial populations. However, their spatial organization and functional interactions relative to the host have been more challenging to study. Here we present a pipeline for the assessment of intestinal microbiota localization within immunofluorescence images of fixed gut cross-sections that includes a flexible software package, BacSpace, for high-throughput quantification of microbial organization. Applying this pipeline to gnotobiotic and human microbiota-colonized mice, we demonstrate that elimination of microbiota-accessible carbohydrates (MACs) from the diet results in thinner mucus in the distal colon, increased proximity of microbes to the epithelium, and heightened expression of the inflammatory marker REG3β. Measurements of microbe-microbe proximity reveal that a MAC-deficient diet alters monophyletic spatial clustering. Furthermore, we quantify the invasion of Helicobacter pylori into the glands of the mouse stomach relative to host mitotic progenitor cells, illustrating the generalizability of this approach.

Significance Across all kingdoms of life, maintaining the correct cell shape is critical for behaviors such as sensing, motility, surface attachment, and nutrient acquisition. Maintaining proper shape requires cellular-scale coordination of proteins and feedback systems that enable responses that correct local morphological perturbations. Here, we demonstrate that the MreB cytoskeleton in Escherichia coli preferentially localizes to regions of negative curvature, directing growth away from the poles and actively straightening locally curved regions of the cell. Moreover, our biophysical simulations of curvature-biased growth suggest that cell wall insertion causes surface deformations that could be responsible for the circumferential motion of MreB. Taken together, our work demonstrates that MreB’s local orchestration of persistent, bursty growth enables robust, uniform growth at the cellular scale.

Abstract The O1 serogroup of Vibrio cholerae causes pandemic cholera and is divided into Ogawa and Inaba serotypes. The O-antigen is V. cholerae’s immunodominant antigen, and the two serotypes, which differ by the presence or absence of a terminally methylated O-antigen, likely influence development of immunity to cholera and oral cholera vaccines (OCVs). However, there is no consensus regarding the relative immunological potency of each serotype, in part because previous studies relied on genetically heterogenous strains. Here, we engineered matched serotype variants of a live OCV candidate, HaitiV, and used a germ-free mouse model to evaluate the immunogenicity and protective efficacy of each vaccine serotype. By combining vibriocidal antibody quantification with single and mixed strain infection assays, we found that all three HaitiV variants - Inaba V , Ogawa V , and Hiko V (bivalent Inaba/Ogawa) - were immunogenic and protective, suggesting the impact of O1 serotype variation on OCV function may be minimal. The potency of OCVs was found to be challenge strain-dependent, emphasizing the importance of appropriate strain selection for cholera challenge studies. Our findings and experimental approaches will be valuable for guiding the development of live OCVs and oral vaccines for additional pathogens.