The ‘missing wedge’ is a long-standing problem in electron tomography, caused by the use of slab-like flat specimens, which increase in thickness when tilted to high angles. Attempts have been made to reduce the undesirable effects caused by the missing wedge, but the problem remains, particularly for the radiation-sensitive frozen-hydrated specimens used for high resolution imaging. Specimens with cylindrical symmetry offer a way to overcome this problem, since the thickness remains constant at all viewing angles. However, while this has been suggested before, it has never been demonstrated for frozen-hydrated specimens. In this work, I present a way to make cylindrical specimens for electron cryo-tomography, using thin-walled carbon tubes as specimen holders. The tubes are made in a multi-step process, involving carbon deposition on glass micropipette templates and subsequent removal of the glass. Tube diameters are typically a few hundred nanometres, with a wall thickness of 10–20 nm. To make frozen-hydrated specimens, the tubes are filled with an aqueous sample and then plunge-frozen in liquid ethane. Electron images acquired from the tubes have equal quality at all viewing angles, with a tilt range restricted only by the physical limits of the microscope. Tomograms from specimens such as gold particles and liposomes show that the effects of the missing wedge are substantially reduced, with much improved resolution along the electron beam axis. Structural features oriented in all directions are visible in the reconstructions, in marked contrast to tomograms acquired over a more restricted angular range. These results are promising, however some technical challenges remain before this method can be used routinely.

<div><div><div><p>Calcium-dependent protein kinase II alpha (CaMKIIα) is a highly abundant protein within the hippocampus, the region of the brain responsible for memory and learning. CaMKII has both structural and signaling roles in the regulation of the connective strength of synapses in excitatory neurons. It has a unique structure comprised of twelve subunits that form a dynamic assembly and is highly flexible. Its structural behavior has been shown to affect its activity, and a comprehensive mechanism of structure and function is still not fully understood. The determination of the quaternary structure of the CaMKII holoenzyme has been attempted for nearly 20 years by a variety of methods, with no one method giving a definitive structure. Problems in obtaining a structure originated with observation methods that estimated quaternary shape from low-resolution ensemble averages or required significant alteration of the protein to enforce a particular conformation. In this work, experiments were conducted to remove these limitations and provide a path towards the quaternary structure of CaMKIIα. Different expression and purification methods were evaluated to produce an optimal protocol for the generation of samples of concentrated, monodisperse, autoinhibited full-length wild-type CaMKIIα for study with cryo-electron microscopy. Strategies for microscopy sample preparation were investigated, including affinity girds, graphene-coated grids, and holey carbon grids. Lastly, experiments using negative stain electron microscopy, cryo-electron microscopy with single particle analysis, and cryo-electron tomography with subtomogram averaging were conducted to reveal the conditions required to produce an unambiguous three-dimensional structure. It was found that the assembly of the hexameric hub rings appeared to have flexible orientation, and superposition problems inherent in two-dimensional projection averaging requires the use of cryo-electron tomography to unravel the ambiguity in both hub orientation and catalytic module placement within the reconstructed volume. A subtomogram average of a limited number of particles revealed a hub domain that matched the morphology of prior reports, but the determination of catalytic module placement was not resolved. The cumulative result of this work establishes a strategy for the large-scale data collection needed to fully elucidate the structure of this challenging and fascinating protein.</p></div></div></div>

Die Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) ermöglicht als einzigartige Methode die dreidimensionale Visualisierung der makromolekularen Struktur von Eis-eingebetteten Zellen in ihrem nativen Zustand [Baumeister 2005; Leis et al. 2009]. Ziel dieser Arbeit war es einen universellen Einsatz der Kryo-ET bei eukaryotischen Zellen zu ermöglichen. Dazu wurden neue Ansätze entwickelt bzw. bestehende Methoden optimiert. Da bei der Anwendung der Tomographie die Probendicke mit jedem Kippwinkel zunimmt, gilt momentan die Probendicke (< 1 µm) als limitierender Faktor bei der Kryo-ET. Während prokaryotische Zellen nahezu routinemäßig mittels Kryo-ET untersucht werden können, ist dies bei eukaryotischen Zellen nur partiell in peripheren Arealen oder Ausläufern der Zelle möglich. Dies konnte anhand der Untersuchung von intakten, pluripotenten Stammzellen (P19 Zellen) bestätigt werden. Aufgrund ihrer neuronen-ähnlichen dendritischen Morphologie können diese dünnen Bereiche mit dem Elektronenstrahl durchdrungen werden. So konnte in der 3D-Rekonstruktion eines Zellausläufers ein Mitochondrium in seiner nativen Umgebung visualisiert werden. Zudem wurden mehrere ATP-Synthasen in der Cristaemembran identifiziert, die erstmalig die Existenz von ATP-Synthasedimeren in situ bestätigen. Für die Untersuchung von zellmittigen (dicken) Bereichen müssen jedoch andere Methoden angewendet werden. So ermöglicht die Kryo-Ultramikrotomie das Herstellen von Dünnschnitten (< 100 nm) Eis-eingebetteter Proben. Mit Hilfe dieser Methode wurden in dieser Arbeit Kryo-Schnitte von HL-1 Kardiomyozyten erstellt und tomographisch analysiert. Da die Probe sehr heterogen verteilt ist, ist die Suche nach der Zielstruktur im Elektronenmikroskop sehr zeitaufwendig. Gleichzeitig ist die strahlenempfindliche Probe während der Suche dem Elektronenstrahl ausgesetzt, was die Struktur beeinträchtigen kann. Um die ‚Effizienz’ der Kryo-ET an Kryo-Schnitten zu erhöhen, wurden zwei neue Verfahren implementiert: Einerseits die korrelative Kryo-Fluoreszenzmikroskopie, welche sich zur Suche und Identifikation von Mitochondrien innerhalb des Dünnschnittes unter Flüssigstickstoff (LN2)-Temperatur eignet und andererseits eine neue Methode, die das Aufbringen von Goldkolloiden auf Kryo-Schnitten zum späteren Alignieren der Kippserie ermöglicht. Letztere setzt eine Synthese von 10 nm großem, kolloidalem Gold in Toluol voraus. Nach Zugabe von Isopentan werden die auf dem EM-Trägernetzchen (Grid) angehefteten Kryo-Schnitte bei einer Temperatur von -150°C in diese Suspension getaucht. Des Weiteren wurden verschiedene Trägermaterialien zur Kultivierung von Kardiomyozyten getestet und Osmolalitätsmessungen von unterschiedlichen Kryo-Schutz¬lösungen, welche für das Hochdruck-Verfahren notwendig sind, durchgeführt. Auch hier konnten in den 3D-Rekonstruktionen von Kardiomyozyten die ATP-Synthasen eindeutig in Kryo-Schnitten identifiziert werden. Darüber hinaus gelang die 3D-Visualisierung von zwei Mitochondrien, die sich in der Teilungs- oder Fusionsphase befanden. In einem dieser Mitochondrien sind inorganische Ablagerungen sichtbar. Im Verlauf dieser Dissertation wurde zusätzlich die Methode des Cryo-Planings entwickelt; eine Variante der Kryo-Ultramikrotomie. Bei dieser Technik wird die vitrifizierte Probe direkt auf dem EM-Grid gedünnt. Dieses Verfahren ermöglicht es, Material vom vitrifizierten Eisfilm mittels eines Diamantmessers zu entfernen. Dafür wurde ein spezieller Halter für das Kryo-Ultramikrotom konzipiert und hergestellt. Der Halter erlaubt das Zentrieren und Klemmen eines EM-Grids. Um das Abtragen kleinerer Bereiche der Eisoberfläche zu ermöglichen, wurde ein 1 mm breites Diamantmesser angefertigt. Die Analyse der gedünnten Proben mittels Kryo-Scanning Electron Microscopy (SEM) zeigte eine gleichmäßig abgetragene Oberfläche. Schneideartefakte, wie sie bei der Kryo-Ultramikrotomie auftreten, wurden nicht beobachtet. Zudem sind die zellulären Proben im gedünnten Bereich des Eisfilms sehr leicht identifizierbar. Brüche, die möglicherweise durch den Probeneinbau im Eisfilm entstehen, konnten mittels Kryo-SEM bis dato nicht beobachtet werden. Die theoretischen Betrachtungen ergaben, dass unter Verwendung des Cryo-Planings als alleinige Methode elektronentransparente Bereiche (< 1 µm Dicke) hergestellt werden können. Bisher konnte jedoch keine elektronentomographische Untersuchung einer geplanten Probe erfolgen, da sie sich als zu dick erwies. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit dem Stereomikroskop nur eine sehr grobe Abschätzung der tatsächlichen Dicke des abgetragenen Bereichs möglich ist.

Die Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) ermöglicht als einzigartige Methode die dreidimensionale Visualisierung der makromolekularen Struktur von Eis-eingebetteten Zellen in ihrem nativen Zustand [Baumeister 2005; Leis et al. 2009]. Ziel dieser Arbeit war es einen universellen Einsatz der Kryo-ET bei eukaryotischen Zellen zu ermöglichen. Dazu wurden neue Ansätze entwickelt bzw. bestehende Methoden optimiert. Da bei der Anwendung der Tomographie die Probendicke mit jedem Kippwinkel zunimmt, gilt momentan die Probendicke (< 1 µm) als limitierender Faktor bei der Kryo-ET. Während prokaryotische Zellen nahezu routinemäßig mittels Kryo-ET untersucht werden können, ist dies bei eukaryotischen Zellen nur partiell in peripheren Arealen oder Ausläufern der Zelle möglich. Dies konnte anhand der Untersuchung von intakten, pluripotenten Stammzellen (P19 Zellen) bestätigt werden. Aufgrund ihrer neuronen-ähnlichen dendritischen Morphologie können diese dünnen Bereiche mit dem Elektronenstrahl durchdrungen werden. So konnte in der 3D-Rekonstruktion eines Zellausläufers ein Mitochondrium in seiner nativen Umgebung visualisiert werden. Zudem wurden mehrere ATP-Synthasen in der Cristaemembran identifiziert, die erstmalig die Existenz von ATP-Synthasedimeren in situ bestätigen. Für die Untersuchung von zellmittigen (dicken) Bereichen müssen jedoch andere Methoden angewendet werden. So ermöglicht die Kryo-Ultramikrotomie das Herstellen von Dünnschnitten (< 100 nm) Eis-eingebetteter Proben. Mit Hilfe dieser Methode wurden in dieser Arbeit Kryo-Schnitte von HL-1 Kardiomyozyten erstellt und tomographisch analysiert. Da die Probe sehr heterogen verteilt ist, ist die Suche nach der Zielstruktur im Elektronenmikroskop sehr zeitaufwendig. Gleichzeitig ist die strahlenempfindliche Probe während der Suche dem Elektronenstrahl ausgesetzt, was die Struktur beeinträchtigen kann. Um die ‚Effizienz’ der Kryo-ET an Kryo-Schnitten zu erhöhen, wurden zwei neue Verfahren implementiert: Einerseits die korrelative Kryo-Fluoreszenzmikroskopie, welche sich zur Suche und Identifikation von Mitochondrien innerhalb des Dünnschnittes unter Flüssigstickstoff (LN2)-Temperatur eignet und andererseits eine neue Methode, die das Aufbringen von Goldkolloiden auf Kryo-Schnitten zum späteren Alignieren der Kippserie ermöglicht. Letztere setzt eine Synthese von 10 nm großem, kolloidalem Gold in Toluol voraus. Nach Zugabe von Isopentan werden die auf dem EM-Trägernetzchen (Grid) angehefteten Kryo-Schnitte bei einer Temperatur von -150°C in diese Suspension getaucht. Des Weiteren wurden verschiedene Trägermaterialien zur Kultivierung von Kardiomyozyten getestet und Osmolalitätsmessungen von unterschiedlichen Kryo-Schutz¬lösungen, welche für das Hochdruck-Verfahren notwendig sind, durchgeführt. Auch hier konnten in den 3D-Rekonstruktionen von Kardiomyozyten die ATP-Synthasen eindeutig in Kryo-Schnitten identifiziert werden. Darüber hinaus gelang die 3D-Visualisierung von zwei Mitochondrien, die sich in der Teilungs- oder Fusionsphase befanden. In einem dieser Mitochondrien sind inorganische Ablagerungen sichtbar. Im Verlauf dieser Dissertation wurde zusätzlich die Methode des Cryo-Planings entwickelt; eine Variante der Kryo-Ultramikrotomie. Bei dieser Technik wird die vitrifizierte Probe direkt auf dem EM-Grid gedünnt. Dieses Verfahren ermöglicht es, Material vom vitrifizierten Eisfilm mittels eines Diamantmessers zu entfernen. Dafür wurde ein spezieller Halter für das Kryo-Ultramikrotom konzipiert und hergestellt. Der Halter erlaubt das Zentrieren und Klemmen eines EM-Grids. Um das Abtragen kleinerer Bereiche der Eisoberfläche zu ermöglichen, wurde ein 1 mm breites Diamantmesser angefertigt. Die Analyse der gedünnten Proben mittels Kryo-Scanning Electron Microscopy (SEM) zeigte eine gleichmäßig abgetragene Oberfläche. Schneideartefakte, wie sie bei der Kryo-Ultramikrotomie auftreten, wurden nicht beobachtet. Zudem sind die zellulären Proben im gedünnten Bereich des Eisfilms sehr leicht identifizierbar. Brüche, die möglicherweise durch den Probeneinbau im Eisfilm entstehen, konnten mittels Kryo-SEM bis dato nicht beobachtet werden. Die theoretischen Betrachtungen ergaben, dass unter Verwendung des Cryo-Planings als alleinige Methode elektronentransparente Bereiche (< 1 µm Dicke) hergestellt werden können. Bisher konnte jedoch keine elektronentomographische Untersuchung einer geplanten Probe erfolgen, da sie sich als zu dick erwies. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit dem Stereomikroskop nur eine sehr grobe Abschätzung der tatsächlichen Dicke des abgetragenen Bereichs möglich ist.

Visualization and image filtering are important parts of cryo-electron tomography analysis. ArtiaX, a plugin developed for UCSF ChimeraX, has been extended to improve the functionality of these two parts. For the visualization, a method of moving 3D surfaces to remove overlap between them has been developed and implemented. To accommodate this, a Monte Carlo approach using Poisson disc sampling for approximating volume of overlap between 3D surfaces is used, and a novel method for measuring overlap has been invented, called the Normal Projection Method, useful for measuring the depth of overlap between surfaces. For the image filtering, tomogram averaging and frequency filters have been added to the ArtiaX toolbox. / Visualisering och bildfiltrering är viktiga delar inom kryoelektrontomografianalys. ArtiaX, ett plugin utvecklat för UCSF ChimeraX, har utökats för att förbättra funktionaliteten inom dessa två områden. För visualiseringen har en metod för att flytta 3D ytor så att de inte överlappar utvecklats och implmenterats. För att skapa denna funktion används en Monte Carlo metod med Poisson disk sampling för att uppskatta volymen av 3D ytor, och normalprojektionsmetoden, en ny metod för att mäta överlappsdjup har skapts och implementerats. För att förbättra bildfiltreringen har tomogram-snittning och frekvensfilter lagts till bland verktygen i ArtiaX.

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie Gram-négative qui présente une grande résistance aux antibiotiques, lui permettant de sévir dans le milieu hospitalier en infectant plus particulièrement les patients immunodéprimés. Cette résistance est principalement due au système d’efflux membranaire MexAB-OprM, capable d’exporter les antibiotiques en dehors de la cellule. Cette pompe à efflux est composée de trois protéines, MexA, MexB et OprM, incorporées dans les membranes internes et externes de la paroi bactérienne. Les structures de MexA, OprM et AcrB -une protéine présente chez E. coli, homologue de MexB- ont été déterminées individuellement par cristallographie des rayons X. Cependant, la structure du complexe entier, regroupant les trois protéines en interaction, ainsi que le mécanisme de cette pompe font toujours défaut. Le renforcement de nos connaissances structurales et fonctionnelles est donc capital pour lutter plus efficacement contre ces bactéries, par de nouvelles stratégies médicamenteuses. Ce travail porte sur l’étude de la structure et de la stœchiométrie de l’assemblage des protéines OprM et MexA au sein d’une membrane lipidique. La caractérisation du complexe OprM/MexA a été réalisée à l’aide de nouvelles techniques de caractérisation physico-chimique des surfaces, telle que la Microbalance à Cristal de Quartz avec Mesure de Dissipation (QCM-D), et par des méthodes d’imagerie, telles que la Cryo-Microscopie Electronique en Transmission (CryoMET) et la Cryo-Tomographie Electronique (CryoTE). En QCM-D, les mesures d’interaction entre OprM et MexA ont été réalisées sur support solide en contrôlant l’orientation d’OprM placée dans un environnement lipidique. Après ajout de la protéine MexA, la formation de complexes OprM/MexA a été mise évidence. Pour comprendre l’organisation de ce complexe, nous avons procédé à une étude comparative de l’organisation des protéines OprM, MexA et du complexe OprM/MexA incorporés dans une membrane lipidique, par CryoMET. Trois types d’organisation, respectivement spécifiques d’OprM, de MexA et du complexe OprM/MexA, ont été mis en évidence. Une analyse structurale de ces trois différents assemblages, pris en sandwich entre deux membranes lipidiques, a été menée par CryoTE. La reconstitution de la protéine OprM conduit à la formation de protéoliposomes, dû à des interactions intervenant entre les protéines OprM au niveau de leurs hélices périplasmiques. La protéine MexA s’organise sous forme d’une structure annulaire de 13 nm de hauteur au sein des membranes lipidiques, et d’une structure plus complexe de 26 nm de hauteur, résultant de l’empilement tête-bêche de deux structures annulaires de 13 nm. Ce travail révèle les dimensions exactes de l’assemblage formé par MexA, et permet de localiser à proximité des membranes les domaines non résolus dans la structure cristallographique. La reconstitution du complexe OprM/MexA révèle une disposition régulière des deux protéines dans les membranes lipidiques. Au sein des complexes, les protéines OprM sont présentes sous forme de trimères. Dans la membrane opposée, à l’aplomb d’une molécule d’OprM, MexA ne forme pas une structure annulaire similaire à celle décrite précédemment, indiquant un état d’oligomérisation différent de celui observé dans les assemblages MexA. Les densités de MexA sont compatibles avec la présence de quelques molécules de MexA. Cependant des structures annulaires de MexA, positionnées à l’aplomb de trois trimères d’OprM sont visibles. Notre étude montre que MexA adopte des structures oligomériques spécifiques en fonction de ses interactions avec les membranes lipidiques ou avec son partenaire OprM. / The structure determination of membrane protein in lipid environment can be carried out using cryo electron microscopy combined with the recent development of data collection and image processing. We describe a protocol to study assemblies or stacks of membrane protein reconstitued into a lipid membrane using both cryo electron tomography and single particle analysis which is an alternative approach to electron crystallography for solving 3D structure. We show the organization of the successive layers of OprM molecules revealing the protein-protein interactions between OprM molecules of two successive lipid bilayers.

Les molécules colloïdales peuvent être décrites comme des agrégats robustes de particules sphériques prenant la forme de certaines molécules simples. La préparation de suspensions de molécules colloïdales est étudiée afin d’obtenir de hauts rendements en morphologie et des distributions étroites en taille des objets, conditions indispensables pour envisager de futures applications comme leur assemblage et l’élaboration de matériaux. La stratégie repose sur l’introduction de germes de silice fonctionnalisés dans une polymérisation en émulsion du styrène, menant à la nucléation-croissance d’un nombre restreint de nodules sphériques de latex ancrés à la surface de la silice.Les travaux proposent une optimisation des voies de préparation (i) des germes de silice par voie sol-gel et (ii) des particules de latex de PS par polymérisation en émulsion. Les structures des clusters silice/PS sont caractérisées par cryo-tomographie électronique et leur formation fait l’objet de discussions notamment en s’appuyant sur des modèles géométriques connus et en proposant un nouveau modèle de croissance des nodules. Enfin, une étude préliminaire est menée afin de recouvrir ces clusters d’une couche d’oxyde (SiO2 et TiO2). / The colloidal molecules are described as robust aggregates of spherical particles mimicking the space-filling models of simple conventional molecules. Their preparation is studied in order to obtain high morphology yields and narrow size distributions, as required to expect future applications like supracolloidal assembly and materials fabrication. The strategy is based on introduction of functionalized silica seeds in a styrene emulsion polymerization batch, leading to nucleation/growth of a discrete number of spherical PS nodules anchored to the silica surface.The study proposes an optimization of the synthesis of (i) the silica seeds by a sol-gel process and (ii) the PS latex particles by an emulsion polymerization. Silica/PS clusters structures are characterized by cryo-electron tomography and their arrangement is discussed using well-known geometrical models and suggesting a new model of nodules growth. At last, a preliminary study is carried out to cover these clusters with an oxide shell (SiO2 and TiO2).

Projet I : Les endospores représentent un état de dormance des bactéries leur permettant de résister à des conditions extrêmes et de persister pendant des années. La formation d'endospores a façonné l'évolution puisqu’elle se produit exclusivement chez les Firmicutes. Plusieurs études ont rapporté la formation d'endospores chez des espèces en dehors des Firmicutes, en particulier chez deux espèces de Protéobactéries, Rhodobacter johrii et Serratia marscescens, et une espèce d'Actinobacteries, Mycobacterium marinum. Le fait d’identifier les endospores en dehors des Firmicutes pourrait affecter la forme de l'arbre de vie et aiderait dans notre lutte contre les agents pathogènes humains. Par conséquent, nous avons visé d’étudier l'endosporulation chez ces trois espèces en utilisant des approches avancées d'imagerie et d'analyse, y compris la microscopie corrélative alliant la microscopie optique et électronique (CLEM), la tomographie de cryo- électron (cryo-ET) et la lipidomique. Nous avons utilisé la bactérie sporulante bien caractérisée Bacillus subtilis comme contrôle positif de la sporulation. L'examen de R. johrii, S. marcescens et M. marinum en utilisant CLEM et cryo-ET a montré que les objets à phase brillante ne ressemblaient à aucun stade de l'endosporulation. Les cryo-tomogrammes ont montré que les objets à phase brillante chez S. marcescens étaient des débris cellulaires agrégés de cellules mortes, alors qu'ils présentaient des structures granulaires typiques des cellules bactériennes chez les R. johrii et M. marinum. L'analyse lipidomique chez R. johrii a identifié les structures granulaires comme des granules de stockage potentiels enrichis en triacylglycérides (TAG). Nous pensons que les TAG peuvent fournir une source d'énergie pour résister à l'épuisement des nutriments. Des approches biochimiques et bioinformatiques supplémentaires ont soutenu nos conclusions selon lesquelles R. johrii, S. marcescens et M. marinum sont des bactéries non sporulantes. Projet II : Les plasmides jouent un rôle vital dans la propagation des gènes de résistance au sein et entre les espèces bactériennes. Par conséquent, il est essentiel de comprendre les systèmes bactériens impliqués dans le transfert et la maintenance des plasmides pour mieux aider dans notre lutte contre la propagation de la résistance aux antibiotiques. Dans cette thèse de doctorat, nous avons cherché à caractériser l'opéron alp7ARC, en utilisant l'homologue de l'actine bactérienne Alp7A pour séparer le plasmide pLS20 codant pour la résistance à la tétracycline dans B. subtilis. La stabilité du plasmide s'est avérée dépendante de l'opéron alp7ARC, indiquant un rôle essentiel dans la ségrégation plasmidique. Nos résultats préliminaires sur Alp7A ont montré qu'il s'assemble dans une nouvelle nanostructure tubulaire plutôt que des filaments, suggérant un nouveau mécanisme de ségrégation de l'ADN par Alp7A. Nous avons également étudié la structure d'Alp7A in vivo en utilisant une combinaison d'approches, notamment la biologie moléculaire, la Cryo-ET et la fLM. Nous avons également utilisé la CLEM pour localiser Alp7A dans des cellules entières à une résolution macromoléculaire. En outre, nous avons étudié la structure et la fonction d'Alp7A in vitro en transfectant B. subtilis et E. coli avec diverses constructions plasmidiques incorporant des mutations dans le gène d’Alp7A. Nous avons déployé différentes méthodes pour la purification de la protéine Alp7A, y compris la séparation par chromatographie, et le fractionnement au sulfate d'ammonium. J'ai discuté des divers défis que nous avons rencontrés dans ces expériences, tels que la contamination, l'instabilité de la protéine Alp7A et l'épaisseur bactérienne. Enfin, j'ai proposé des approches expérimentales alternatives qui aideraient à étudier le mécanisme de ségrégation des plasmides par Alp7ARC. / Project I: Endospores represent a dormant state of bacteria that allows them to withstand extreme conditions and persist for years. Endospore formation has shaped evolution, whereby it exclusively occurs in Firmicutes. Several studies have reported endospore formation in species outside of Firmicutes, particularly in two species of Proteobacteria, Rhodobacter johrii and Serratia marcescens, and one species of Actinobacteria, Mycobacterium marinum. Identifying endospores outside of Firmicutes would affect the shape of the tree of life and aid in our fight against human pathogens. Therefore, we aimed to investigate endosporulation in these three species using advanced imaging and analytical approaches, including correlative light and electron microscopy (CLEM), cryo-electron tomography (cryo-ET), and lipidomics. We used the well-characterized sporulating bacterium Bacillus subtilis as a positive control of sporulation. Examination of R. johrii, S. marcescens, and M. marinum using CLEM and cryo-ET showed that phase-bright objects did not resemble any stages of endosporulation. Cryo-tomograms revealed that the phase-bright objects in S. marcescens were aggregated cellular debris of dead cells, whereas they displayed granular structures typical of bacterial cells in R. johrii and M. marinum. Lipidomic analysis in R. johrii identified the granular structures as potential storage granules enriched with triacyl-glycerides (TAGs). We speculate that TAGs may provide an energy source to withstand the nutrient depletion. Additional biochemical and bioinformatics approaches supported our conclusions that R. johrii, S. marcescens, and M. marinum are non-sporulating bacteria. Project II: Plasmids play a vital role in the spread of resistance genes within and across bacterial species. Therefore, it is essential to understand the bacterial systems involved in the transfer and maintenance of plasmids to better aid in our fight against the spread of antibiotic resistance. In this doctorate, we aimed to characterize the alp7ARC operon, employing the bacterial actin homolog Alp7A to segregate the tetracycline resistance-encoding plasmid pLS20 in B. subtilis. The stability of the plasmid was shown to be dependent on the alp7ARC operon, indicating an essential role in plasmid segregation. Preliminary results on Alp7A showed that it assembles into a novel tubular nanostructure rather than filaments, suggesting a novel mechanism for DNA segregation by Alp7A. We further studied the structure of Alp7A in vivo using combination of approaches, including molecular biology, cryo-ET, and fLM. We also used CLEM to localize Alp7A in whole cells to a macromolecular resolution. Besides, we investigated the structure and function of Alp7A in vitro by transfecting E. coli with various plasmid constructs and purification by several methods, including affinity chromatography and ammonium sulfate precipitation. I discussed the diverse challenges we encountered in these experiments, such as bacterial thickness, contamination, and Alp7A protein instability. Finally, I proposed alternative experimental approaches for investigating the mechanism of plasmid segregation by Alp7ARC.

Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has been established as the leading imaging technique for structural studies from small proteins to whole cells at a molecular level. The great advances in cryo-EM have led to the ability to provide unique insights into a wide variety of biological processes in a close to native, hydrated state at near-atomic resolutions. The developments of computational approaches have significantly contributed to the exciting achievements of cryo-EM. This dissertation emphasizes new approaches to address image processing problems in cryo-EM, including tilt series alignment evaluation, simultaneous determination of sample thickness, tilt, and electron mean free path based on Beer-Lambert law, Model-Based Iterative Reconstruction (MBIR) on tomographic data, minimization of objective lens astigmatism in instrument alignment and defocus and magnification dependent astigmatism of TEM images. The final goal of these methodological developments is to improve the 3D reconstruction of cryo-EM and visualize more detailed characterization.