Bacterial cell division has been studied for decades but reports on the different archaeal cell division systems are rare. In many archaea, cell division depends on the tubulin homolog FtsZ, but further components of the divisome in these archaea are unknown. The halophilic archaeon Haloferax volcanii encodes two FtsZ homologs with different functions in cell division and a putative SepF homolog. In bacteria, SepF is part of the divisome and is recruited early to the FtsZ ring, where it most likely stimulates FtsZ ring formation. H. volcanii SepF co-localized with FtsZ1 and FtsZ2 at midcell. Overexpression of SepF had no effect on cell morphology, but no sepF deletion mutants could be generated. SepF depletion led to a severe cell division defect, resulting in cells with a strongly increased size. Overexpression of FtsZ1- and FtsZ2-GFP in SepF-depleted cells resulted in filamentous cells with an increasing number of FtsZ1 rings depending on the cell length, whereas FtsZ2 rings were not increased. Pull-down assays with HA-tagged SepF identified an interaction with FtsZ2 but not with FtsZ1. Archaeal SepF homologs lack the conserved glycine residue important for polymerization in bacteria and the H. volcanii SepF was purified as a dimer, suggesting that in contrast to the bacterial SepF homologs, polymerization does not seem to be important for its function. A model is proposed where first the FtsZ1 ring is formed and where SepF recruits FtsZ2 to the FtsZ1 ring, resulting in the formation of the FtsZ2 ring. This study provides important novel insights into cell division in archaea and shows that SepF is an important part of the divisome in FtsZ containing archaea.

Dividing cells into two daughter cells is a complicated process that in bacteria and eukaryotes requires many proteins to work together. For archaea that divide via an FtsZ-based mechanism, only three proteins of the cell division machinery could so far be identified. These are two tubulin homologs, FtsZ1, FtsZ2 and the membrane anchor of FtsZ2, SepF. Here, we investigate additional archaeal cell division proteins that were identified by immunoprecipitation of SepF. These proteins comprise a single PRC-barrel domain and strictly co-occur with FtsZ. Two out of three PRC-barrel domain containing proteins found in Haloferax volcanii , CdpB1 and CdpB2 localize to the site of cell division in a SepF-dependent manner. Moreover, depletions and deletions cause severe cell division defects, generating drastically enlarged cells. Fluorescence microscopy of tagged FtsZ1, FtsZ2 and SepF in CdpB1/2 deletion strains revealed that the divisome is unusually disordered and not organized into a distinct ring-like structure at the cell centre. Biochemical analysis of CdpB homologs from different archaeal species showed that SepF interacts directly with CdpB1, which in turn binds to CdpB2, forming a tripartite complex. A crystal structure of CdpB1 and B2 recapitulated these interactions and suggested how these proteins might form filaments, possibly aligning SepF and therefore the FtsZ2 ring during cell division. In summary, we demonstrate that PRC domain proteins play essential roles in FtsZ based cell division in archaea.

Type IV pili are ancient and widespread filamentous organelles found in most bacterial and archaeal phyla where they support a wide range of functions, including substrate adhesion, DNA uptake, self aggregation, and cell motility. In most bacteria, PilT-family ATPases disassemble adhesion pili, causing them to rapidly retract and produce twitching motility, important for surface colonization. As archaea do not possess homologs of PilT, it was thought that archaeal pili cannot retract. Here, we employ live-cell imaging under native conditions (75°C and pH 2), together with automated single-cell tracking, high-temperature fluorescence imaging, and genetic manipulation to demonstrate that

Abstract Amongst the major types of archaeal filaments, several have been shown to closely resemble bacterial homologues of the Type IV pili (T4P). Within Sulfolobales , member species encode for three types of T4P, namely the archaellum, the UV-inducible pilus system (Ups) and the archaeal adhesive pilus (Aap). Whereas the archaellum functions primarily in swimming motility, and the Ups in UV-induced cell aggregation and DNA-exchange, the Aap plays an important role in adhesion and twitching motility. Here, we present a cryoEM structure of the Aap of the archaeal model organism Sulfolobus acidocaldarius . We identify the component subunit as AapB and find that while its structure follows the canonical T4P blueprint, it adopts three distinct conformations within the pilus. The tri-conformer Aap structure that we describe challenges our current understanding of pilus structure and sheds new light on the principles of twitching motility.

Abstract Biofilms represent a prevalent lifestyle of unicellular organism that confers protection to external challenges. The mechanisms by which archaea form biofilms are however not entirely clear. H. volcanii is an extremely halophilic euryarchaeon that commonly colonizes salt crust surfaces. H. volcanii produces long and thin appendages called type IV pili that are known to play a function in surface attachment and biofilm formation in archaea and bacteria. Here, we used biophysical experiments to identify critical function of type IV pili in the mechanical integrity of H. volcanii biofilms. Using interferometric scattering microscopy (iSCAT) to non-invasively visualize T4P in live cells, we find that piliation varies across mutants expressing single pilin isoforms. Using microfluidic experiments, we found that the adhesive strength of these mutants correlates with their extent of piliation. We found that in flow, H. volcanii forms clonal biofilms that extend in three dimensions. Expression of PilA2, a single pilin isoform, is sufficient to maintain normal levels of piliation and form biofilms with a structure indistinguishable from WT. Furthermore, we found that fluid flow is a crucial determinant of biofilm integrity: in the absence of flow, biofilms lose cohesion and tend to disperse in a density-dependent manner. Overall, our results demonstrate that T4P-surface and possibly T4P-T4P interactions promote biofilm formation and integrity, and that flow is a crucial ingredient regulating archaeal biofilm formation.

Abstract Amongst the major archaeal filament types, several have been shown to closely resemble bacterial homologues of the Type IV pili (T4P). Within Sulfolobales, member species encode for three types of T4P, namely the archaellum, the UV-inducible pilus (Uvp) and the archaeal adhesive pilus (Aap). Whereas the archaellum functions primarily in swimming motility, and the Uvp in UV-induced cell aggregation and DNA-exchange, the Aap plays an important role in adhesion and twitching motility. All previously solved Aap appear to have almost identical helical structures. Here, we present a cryoEM structure of the Aap of the archaeal model organism Sulfolobus acidocaldarius. We identify the component subunit as AapB and find that while its structure follows the canonical T4P blueprint, it adopts three distinct conformations within the pilus. The tri-conformer Aap structure that we describe challenges our current understanding of pilus structure and sheds new light on the principles of twitching motility.

Abstract Microbial communities are shaped by cell-cell interactions. Even though archaea are often found in associations with other microorganisms, the mechanisms structuring these communities are poorly understood. Here we report the structure and function of haloarchaeal contractile injection systems (CISs). Using a combination of functional assays and time lapse imaging, we show that Halogeometricum borinquense exhibits antagonism towards Haloferax volcanii by inducing cell lysis and inhibiting proliferation. This antagonism is contact-dependent and requires a functional CIS, which is encoded by a gene cluster that is associated with toxin-immunity pairs. Cryo-focused ion beam milling and imaging by cryo-electron tomography revealed CISs bound to the cytoplasmic membrane, resembling bacterial type six secretion systems (T6SSs). We show that related T6SS gene clusters are conserved and expressed in other haloarchaeal strains with antagonistic behavior. Our data provides a mechanistic framework for understanding how archaea may shape microbial communities and impact the food webs they inhabit. Teaser T6SSs are widespread in the archaeal domain and used to kill other archaea.

Abstract Pili are ubiquitous filamentous surface extensions that play crucial roles for bacterial and archaeal cellular processes such as adhesion, biofilm formation, motility, cell-cell communication, DNA uptake and horizontal gene transfer to name a few. Here we report on the discovery and structure of the archaeal thread – a remarkably stable archaeal pilus that belongs to a so-far largely unknown class of protein filaments. We find that the filament is highly glycosylated and interconnected via donor strand complementation, as well as isopeptide bonds, reminiscent of bacterial type I pili. Despite striking structural similarity with bacterial type-1 pili, archaeal threads appear to have evolved independently and are likely assembled by a markedly distinct mechanism.