Coordinating cell wall synthesis and cell division Most bacteria are protected by peptidoglycan cell walls, which must be remodeled to split the cell. Cell division requires the tubulin homolog FtsZ, a highly conserved cytoskeletal polymer that specifies the future site of division. Bisson-Filho et al. and Yang et al. found that the dynamic treadmilling of FtsZ filaments controls both the location and activity of the associated cell wall synthetic enzymes. This creates discrete sites of cell wall synthesis that circle around the division plane to divide the cell. Science , this issue p. 739 , p. 744

Abstract How proteins in the bacterial cell division complex (the divisome) coordinate to divide bacteria remains unknown. To explore how these proteins collectively function, we conducted a complete dynamic characterization of the proteins involved, and then examined the function of FtsZ binding proteins (ZBPs) and their role in cytokinesis. We find that the divisome consists of two dynamically distinct subcomplexes: stationary ZBPs that transiently bind to treadmilling FtsZ filaments, and a directionally-moving complex that includes cell wall synthases. FtsZ filaments treadmill at steady state and the ZBPs have no effect on filament dynamics. Rather, ZBPs bundle FtsZ filaments, condensing them into Z rings. Z ring condensation increases the recruitment of cell wall synthesis enzymes to the division site, and this condensation is necessary for cytokinesis.

Abstract Bacterial cell division is mediated by the tubulin-homolog FtsZ, which recruits peptidoglycan (PG) synthesis enzymes to the division site. Septal PG synthases promote inward growth of the division septum, but the mechanisms governing the spatiotemporal regulation of these enzymes are poorly understood. Recent studies on various organisms have proposed different models for the relationship between the movement and activity of septum-specific PG synthases and FtsZ treadmilling. Here, we studied the movement dynamics of conserved cell division proteins relative to the rates of septum constriction and FtsZ treadmilling in the Gram-positive pathogen Staphylococcus aureus . The septal PG synthesis enzyme complex FtsW/PBP1 and its putative activator protein, DivIB, moved processively, around the division site, with the same velocity. Impairing FtsZ treadmilling did not affect FtsW and DivIB velocities or septum constriction rates. Contrarily, inhibition of PG synthesis slowed down or completely stopped both septum constriction and the directional movement of FtsW/PBP1 and DivIB. Our findings support a model for S. aureus in which a single population of processively moving FtsW/PBP1 remains associated with DivIB to drive cell constriction independently of treadmilling FtsZ filaments.

ABSTRACT Cell elongation in rod-shaped bacteria is mediated by the Rod system, a conserved morphogenic complex that spatially controls cell wall (CW) assembly. In Escherichia coli , alterations in a CW synthase component of the system called PBP2 were identified that overcome other inactivating defects. Rod system activity was stimulated in the suppressors in vivo, and purified synthase complexes with these changes showed more robust CW synthesis in vitro. Polymerization of the actin-like MreB component of the Rod system was also found to be enhanced in cells with the activated synthase. The results suggest an activation pathway governing Rod system function in which PBP2 conformation plays a central role in stimulating both CW glycan polymerization by its partner RodA and the formation of cytoskeletal filaments of MreB to orient CW assembly. An analogous activation pathway involving similar enzymatic components is likely responsible for controlling CW synthesis by the division machinery.

FtsZ, a highly conserved bacterial tubulin GTPase homolog, is a central component of the cell division machinery in nearly all walled bacteria. FtsZ polymerizes at the future division site and recruits > 30 proteins that assemble into a macromolecular complex termed divisome. Many of these divisome proteins are involved in septal cell wall peptidoglycan (sPG) synthesis. Recent studies found that FtsZ polymers undergo GTP hydrolysis-coupled treadmilling dynamics along the septum circumference of dividing cells, which drives processive movements of sPG synthesis enzymes. The mechanism of FtsZ treadmilling-driven directional transport of sPG enzymes and its precise role in bacterial cell division are unknown. Combining theoretical modeling and experimental testing, we show that FtsZ treadmilling drives the directional movement of sPG-synthesis enzymes via a Brownian ratchet mechanism, where the shrinking end of FtsZ polymers introduces an asymmetry to rectify diffusion of single enzyme molecules into persistent end-tracking movement. Furthermore, we show that processivity of this directional movement hinges on the balance between the enzyme's diffusion and FtsZ's treadmilling speed, which provides a mechanism to control the level of available enzymes for active sPG synthesis, explaining the distinct roles of FtsZ treadmilling in modulating cell wall constriction rate observed in different bacterial species.

How bacteria produce a septum to divide in two is not well understood. This process is mediated by periplasmic cell-wall producing enzymes that are positioned by filaments of the cytoplasmic membrane-associated actin FtsA and the tubulin FtsZ (FtsAZ). To understand how these components act in concert to divide cells, we visualized their movements relative to the dynamics of cell wall synthesis during cytokinesis. We find that the division septum is built at discrete sites that move around the division plane. Furthermore, FtsAZ filaments treadmill in circumferential paths around the division ring, pulling along the associated cell-wall-synthesizing enzymes. We show that the rate of FtsZ treadmilling controls both the rate of cell wall synthesis and cell division. The coupling of both the position and activity of the cell wall synthases to FtsAZ treadmilling guides the progressive insertion of new cell wall, synthesizing increasingly small concentric rings to divide the cell.

Abstract Bacillus subtilis is a model Gram-positive bacterium, commonly used to explore questions across bacterial cell biology and for industrial uses. To enable greater understanding and control of proteins in B. subtilis , we demonstrate broad and efficient genetic code expansion in B. subtilis by incorporating 20 distinct non-standard amino acids within proteins using 3 different families of genetic code expansion systems and two choices of codons. We use these systems to achieve click-labelling, photo-crosslinking, and translational titration. These tools allow us to demonstrate differences between E. coli and B. subtilis stop codon suppression, validate a predicted protein-protein binding interface, and begin to interrogate properties underlying bacterial cytokinesis by precisely modulating cell division dynamics in vivo . We expect that the establishment of this simple and easily accessible chemical biology system in B. subtilis will help uncover an abundance of biological insights and aid genetic code expansion in other organisms.