Abstract Optimum protein function and biochemical activity critically depends on water availability because solvent thermodynamics drive protein folding and macromolecular interactions 1 . Reciprocally, macromolecules restrict the movement of ‘structured’ water molecules within their hydration layers, reducing the available ‘free’ bulk solvent and therefore the total thermodynamic potential energy of water, or water potential. Here, within concentrated macromolecular solutions such as the cytosol, we found that modest changes in temperature greatly affect the water potential, and are counteracted by opposing changes in osmotic strength. This duality of temperature and osmotic strength enables simple manipulations of solvent thermodynamics to prevent cell death after extreme cold or heat shock. Physiologically, cells must sustain their activity against fluctuating temperature, pressure and osmotic strength, which impact water availability within seconds. Yet, established mechanisms of water homeostasis act over much slower timescales 2,3 ; we therefore postulated the existence of a rapid compensatory response. We find that this function is performed by water potential-driven changes in macromolecular assembly, particularly biomolecular condensation of intrinsically disordered proteins. The formation and dissolution of biomolecular condensates liberates and captures free water, respectively, quickly counteracting thermal or osmotic perturbations of water potential, which is consequently robustly buffered in the cytoplasm. Our results indicate that biomolecular condensation constitutes an intrinsic biophysical feedback response that rapidly compensates for intracellular osmotic and thermal fluctuations. We suggest that preserving water availability within the concentrated cytosol is an overlooked evolutionary driver of protein (dis)order and function.

Abstract Interactions between liquids and surfaces generate forces 1,2 that are crucial for many processes in biology, physics, and engineering, including the motion of insects on the surface of water 3 , modulation of the material properties of spider silk 4 , and self-assembly of microstructures 5 . Recent studies have shown that cells assemble biomolecular condensates via phase separation 6 . In the nucleus, these condensates are thought to drive transcription 7 , heterochromatin formation 8 , nucleolus assembly 9 , and DNA repair 10 . Here, we show that the interaction between liquid-like condensates and DNA generates forces that might play a role in bringing distant regulatory elements of DNA together, a key step in transcriptional regulation. We combine quantitative microscopy, in vitro reconstitution, optical tweezers, and theory to show that the transcription factor FoxA1 mediates the condensation of a DNA-protein phase via a mesoscopic first- order phase transition. After nucleation, co-condensation forces drive growth of this phase by pulling non-condensed DNA. Altering the tension on the DNA strand enlarges or dissolves the condensates, revealing their mechanosensitive nature. These findings show that DNA condensation mediated by transcription factors could bring distant regions of DNA in close proximity, suggesting that this physical mechanism is a possible general regulatory principle for chromatin organization that may be relevant in vivo .

During mitosis, the centrosome expands its capacity to nucleate microtubules. Understanding the mechanisms of centrosomal microtubule nucleation is, however, constrained by a lack of knowledge of the amount of soluble and polymer tubulin at mitotic centrosomes. Here we combined light microscopy and serial-section electron tomography to measure the amount of dimer and polymer at mitotic centrosomes in early C. elegans embryos. We show that a C. elegans one-cell stage centrosome at metaphase contains more than ten thousand microtubules with a total polymer concentration of 230 μM. Centrosomes concentrate soluble α/β tubulin by about tenfold over the cytoplasm, reaching peak values of 470 μM, giving a combined total monomer and polymer tubulin concentration at centrosomes of up to 660 μM. These findings support in vitro data suggesting that microtubule nucleation in C. elegans centrosomes is driven in part by concentrating soluble tubulin.

Abstract For bacterial cell division, treadmilling filaments of FtsZ organize into a ring-like structure at the center of the cell. What governs the architecture and stability of this dynamic Z-ring is currently unknown, but FtsZ-associated proteins have been suggested to play an important role. Here, we used an in vitro reconstitution approach combined with fluorescence microscopy to study the influence of the well-conserved protein ZapA on the organization and dynamics of FtsZ filaments recruited to a supported membrane. We found that ZapA increases the spatial order and stabilizes the steady-state architecture of the FtsZ filament network in a highly cooperative manner. Despite its strong influence on their large-scale organization, ZapA binds only transiently to FtsZ filaments and has no effect on their treadmilling velocity. Together, our data explains how FtsZ-associated proteins can contribute to the precision and stability of the Z-ring without compromising treadmilling dynamics.

The mitotic spindle is a highly dynamic bipolar structure that emerges from the self-organization of microtubules, molecular motors, and other proteins. Sustained motor-driven poleward flows of short dynamic microtubules play a key role in the bipolar organization of spindles. However, it is not understood how the local activity of motor proteins generates these large-scale coherent poleward flows. Here, we combine experiments and simulations to show that a gelation transition enables long-ranged microtubule transport causing spindles to self-organize into two oppositely polarized microtubule gels. Laser ablation experiments reveal that local active stresses generated at the spindle midplane propagate through the structure thereby driving global coherent microtubule flows. Simulations show that microtubule gels undergoing rapid turnover can exhibit long stress relaxation times, in agreement with the long-ranged flows observed in experiments. Finally, we show that either disrupting such flows or decreasing the network connectivity can lead to a microtubule polarity reversal in spindles both in the simulations and in the experiments. Thus, we uncover an unexpected connection between spindle rheology and architecture in spindle self-organization.

Abstract Animal organs exhibit complex topologies involving cavities and tubular networks, which underlie their form and function. However, how topology emerges during organ morphogenesis remains elusive. Here, we combine tissue reconstitution and quantitative microscopy to show that trans and cis epithelial fusion govern tissue topology and shape. These two modes of topological transitions can be regulated in neuroepithelial organoids, leading to divergent topologies. The morphological space can be captured by a single control parameter which is analogous to the reduced Gaussian rigidity of an epithelial surface. Finally, we identify a pharmacologically accessible pathway that regulates the frequency of trans and cis fusion, and demonstrate the control of organoid topology and shape. The physical principles uncovered here provide fundamental insights into the self-organization of complex tissues.

Abstract Cellular organelles such as the mitotic spindle adjust their size to the dimensions of the cell. It is widely understood that spindle scaling is governed by regulation of microtubule polymerization. Here we use quantitative microscopy in living zebrafish embryos and Xenopus egg extracts in combination with theory to show that microtubule polymerization dynamics are insufficient to scale spindles and only contribute below a critical cell size. In contrast, microtubule nucleation governs spindle scaling for all cell sizes. We show that this hierarchical regulation arises from the partitioning of a nucleation inhibitor to the cell membrane. Our results reveal that cells differentially regulate microtubule number and length using distinct geometric cues to maintain a functional spindle architecture over a large range of cell sizes.

Chromatin undergoes a dramatic reorganization during the cell cycle. In interphase, chromatin is organized into compartments and topological-associating domains (TADs) that are cell-type specific, whereas in metaphase, chromosomes undergo large-scale compaction, leading to the loss of specific boundaries and the shutdown of transcription. Loop extrusion by structural maintenance of chromosomes complexes (SMCs) has been proposed as a mechanism to organize chromatin in interphase and metaphase. However, the requirements for chromatin organization in these cell phases are very different, and it is unknown whether the dynamics of loop extrusion and the complexes involved also differ. Here, we used Xenopus egg extracts to reconstitute and image loop extrusion of single DNA molecules during the cell cycle. We show that loops form in both metaphase and interphase, but with distinct dynamic properties. Condensin extrudes asymmetric loops in metaphase, whereas cohesin extrudes symmetric loops in interphase. Our data show that loop extrusion is a general mechanism for the organization of DNA, with dynamic and structural properties that are molecularly regulated during the cell cycle.

ABSTRACT Early events during axolotl limb regeneration include an immune response and the formation of a wound epithelium. These events are linked to a clearance of damaged tissue prior to blastema formation and regeneration of the missing structures. Here, we report the resorption of calcified skeletal tissue as an active, cell-driven and highly regulated event. This process, carried out by osteoclasts, is essential for a successful integration of the newly formed skeleton. Indeed, the extent of resorption is directly correlated with the integration efficiency. Moreover, we identified the wound epithelium as a major regulator of skeletal resorption, likely creating a zone of influence in which signals involved in recruitment/differentiation of osteoclasts are released. Finally, we reported a correlation between resorption and blastema formation, particularly, a coordination of resorption with cartilage condensation. In sum, our results identify resorption as a major event upon amputation, playing a critical role in the overall process of skeletal regeneration.

The spatial organization of DNA involves DNA loop extrusion and the formation of protein-DNA condensates. While the significance of each process is increasingly recognized, their interplay remains unexplored. Using molecular dynamics simulation and theory we investigate this interplay. Our findings reveal that loop extrusion can enhance the dynamics of condensation and promotes coalescence and ripening of condensates. Further, the DNA loop enables condensate formation under DNA tension and position condensates. The concurrent presence of loop extrusion and condensate formation results in the formation of distinct domains similar to TADs, an outcome not achieved by either process alone.