Abstract One of the grand challenges of bottom-up synthetic biology is the development of minimal machineries for cell division. The mechanical transformation of large-scale compartments, such as Giant Unilamellar Vesicles (GUVs), requires the geometry-specific coordination of active elements, several orders of magnitude larger than the molecular scale. Of all cytoskeletal structures, large-scale actomyosin rings appear to be the most promising cellular elements to accomplish this task. Here, we have adopted advanced encapsulation methods to study bundled actin filaments in GUVs and compare our results with theoretical modeling. By changing few key parameters, actin polymerization can be differentiated to resemble various types of networks in living cells. Importantly, we find membrane binding to be crucial for the robust condensation into a single actin ring in spherical vesicles, as predicted by theoretical considerations. Upon force generation by ATP-driven myosin motors, these ring-like actin structures contract and locally constrict the vesicle, forming furrow-like deformations. On the other hand, cortex-like actin networks are shown to induce and stabilize deformations from spherical shapes.

Abstract Synaptic membrane-remodeling events such as endocytosis require force-generating actin assembly. The endocytic machinery that regulates these actin and membrane dynamics localizes at high concentrations to large areas of the presynaptic membrane, but actin assembly and productive endocytosis are far more restricted in space and time. Here we describe a mechanism whereby autoinhibition clamps the presynaptic endocytic machinery to limit actin assembly to discrete functional events. We found that collective interactions between the Drosophila endocytic proteins Nwk/FCHSD2, Dap160/Intersectin, and WASp relieve Nwk autoinhibition and promote robust membrane-coupled actin assembly in vitro. Using automated particle tracking to quantify synaptic actin dynamics in vivo , we discovered that Nwk-Dap160 interactions constrain spurious assembly of WASp-dependent actin structures. These interactions also promote synaptic endocytosis, suggesting that autoinhibition both clamps and primes the synaptic endocytic machinery, thereby constraining actin assembly to drive productive membrane remodeling in response to physiological cues.

Abstract Focal adhesions form liquid-like assemblies around activated integrin receptors at the plasma membrane. Made up of hundreds of proteins, focal adhesions are dynamic structures which can assemble and disassemble quickly, withstand strong actomyosin-applied forces, and form highly stable complexes. How they achieve these flexible characteristics is not well understood. Here, we use recombinant focal adhesion proteins to reconstitute the core structural machinery in vitro , with the goal of understanding the underlying protein dynamics and interactions. We observe liquid-liquid phase separation of the core focal adhesion proteins talin and vinculin for a spectrum of conditions and in combination with several interaction partners. Intriguingly, we show that membrane binding triggers phase separation of these proteins on the membrane, which in turn induces the enrichment of integrin in the clusters. We also introduce a novel experimental setup to probe talin-membrane interactions down to the single protein level. Our results suggest that membrane composition triggers condensate assembly at the membrane, a regulatory mechanism which could widely apply to membrane-localized biomolecular condensates and provide a pathway of how spatial organization of lipids within the membrane can couple into the cytosol.

Abstract Focal adhesions form liquid-like assemblies around activated integrin receptors at the plasma membrane. How they achieve their flexible properties is not well understood. Here, we use recombinant focal adhesion proteins to reconstitute the core structural machinery in vitro. We observe liquid-liquid phase separation of the core focal adhesion proteins talin and vinculin for a spectrum of conditions and interaction partners. Intriguingly, we show that binding to PI(4,5)P 2 -containing membranes triggers phase separation of these proteins on the membrane surface, which in turn induces the enrichment of integrin in the clusters. We suggest a mechanism by which 2-dimensional biomolecular condensates assemble on membranes from soluble proteins in the cytoplasm: lipid-binding triggers protein activation and thus, liquid-liquid phase separation of these membrane-bound proteins. This could explain how early focal adhesions maintain a structured and force-resistant organization into the cytoplasm, while still being highly dynamic and able to quickly assemble and disassemble.