ABSTRACT Most rod-shaped bacteria elongate by inserting new cell wall material into the inner surface of the cell sidewall. This is primarily performed by a highly conserved protein complex, the elongasome, which moves processively around the cell circumference and inserts long glycan strands that act as barrel-hoop-like reinforcing structures, thereby giving rise to a rod-shaped cell. However, it remains unclear how elongasome synthesis dynamics and termination events are regulated to determine the length of these critical cell-reinforcing structures. To address this, we developed a method to track individual elongasome complexes around the entire circumference of Bacillus subtilis cells for minutes-long periods using single molecule fluorescence microscopy. We found that the B. subtilis elongasome is highly processive and that processive synthesis events are frequent terminated by rapid reversal or extended pauses. We found that cellular levels of RodA regulate elongasome processivity, reversal and pausing. Our single molecule data, together with stochastic simulations, show that elongasome dynamics and processivity are regulated by molecular motor tug-of-war competition between several, likely two, oppositely oriented peptidoglycan synthesis complexes bound to the MreB filament. Our data, thus, demonstrate that molecular motor tug-of-war is a key regulator of elongasome dynamics in B. subtilis , which likely also regulates the cell shape via modulation of elongasome processivity.

Using 3D single-molecule localization microscopy and live-cell imaging, we show that the Escherichia coli nucleoid adopts a condensed, membrane-associated configuration during rapid growth. To study the influence of different biosynthetic processes on nucleoid morphology and positioning, we recorded multi-colour super-resolution images during drug treatment. After developing analysis routines for confocal and super-resolution images, we captured highly resolved snapshots which revealed the complete loss of the membrane-bound state of the nucleoid within 10 minutes of halting transcription and translation. This indicates an active role of transertion (coupled transcription, translation and membrane insertion) in nucleoid organization. In contrast, cell wall synthesis inhibition only affects nucleoid organization during morphological changes. Further, we provide evidence that the E. coli nucleoid spatially correlates with MreB in unperturbed E. coli cells, while this correlation diminishes in cells with changed cell geometry or upon inhibition of protein biosynthesis. Replication inhibition experiments, as well as multi-drug treatments highlight the role of entropic effects and transcription in nucleoid condensation and positioning. In summary, we provide experimental evidence for transertion as a principal organiser of the bacterial nucleoid, and show that an altered metabolic state and antibiotic treatment both lead to major changes in the degree of transertion and overall spatial organization of the nucleoid. Our high-resolution characterization reveals dynamics of antibiotic action and provides tools to quantify bacterial chromosome organization. This does not provide valuable insights into the role of transertion, but can also be applied to study other cell-biological processes.

Abstract Most rod-shaped bacteria elongate by inserting new cell wall material into the inner surface of the cell sidewall. This is performed by class A penicillin binding proteins (PBPs) and a highly conserved protein complex, the elongasome, which moves processively around the cell circumference and inserts long glycan strands that act as barrel-hoop-like reinforcing structures, thereby giving rise to a rod-shaped cell. However, it remains unclear how elongasome synthesis dynamics and termination events are regulated to determine the length of these critical cell-reinforcing structures. To address this, we developed a method to track individual elongasome complexes around the entire circumference of Bacillus subtilis cells for minutes-long periods using single-molecule fluorescence microscopy. We found that the B. subtilis elongasome is highly processive and that processive synthesis events are frequently terminated by rapid reversal or extended pauses. We found that cellular levels of RodA regulate elongasome processivity, reversal and pausing. Our single-molecule data, together with stochastic simulations, show that elongasome dynamics and processivity are regulated by molecular motor tug-of-war competition between several, likely two, oppositely oriented peptidoglycan synthesis complexes associated with the MreB filament. Altogether these results demonstrate that molecular motor tug-of-war is a key regulator of elongasome dynamics in B. subtilis , which likely also regulates the cell shape via modulation of elongasome processivity.