Abstract Bacterial cells are known to produce inhibitors of cell division in response to stress responses and developmental programs. Knowledge of the underlying molecular mechanisms remains however largely limited. In this study, we investigated the mechanism of transient cell division inhibition observed during the development of competence for transformation in the human pathogen Streptococcus pneumoniae . In this species, ComM, a membrane protein specifically produced during competence, transiently inhibits cell division to preserve genomic integrity during transformation. We show that ComM reduces specifically the dynamics of the septal peptidoglycan synthetic complex FtsW:PBP2x. We also present evidence that ComM interacts with the peptidoglycan precursor synthetic enzyme MurA, and show that overproduction of MurA suppresses FtsW:PBP2x deceleration along the cell division delay in competent cells. Collectively, our data support a model in which ComM interferes with MurA activity to reduce septal peptidoglycan synthesis during competence in S. pneumoniae .

Plasma membrane fluidity is an important phenotypic feature that regulates the diffusion, function, and folding of transmembrane and membrane-associated proteins. In bacterial cells, variations in membrane fluidity are known to affect respiration, transport, and antibiotic resistance. Membrane fluidity must therefore be tightly regulated to adapt to environmental variations and stresses such as temperature fluctuations or osmotic shocks. Quantitative investigation of bacterial membrane fluidity has been, however, limited due to the lack of available tools, primarily due to the small size and membrane curvature of bacteria that preclude most conventional analysis methods used in eukaryotes. Here, we develop an assay based on total internal reflection-fluorescence correlation spectroscopy (TIR-FCS) to directly measure membrane fluidity in live bacteria via the diffusivity of fluorescent membrane markers. With simulations validated by experiments, we could determine how the small size, high curvature, and geometry of bacteria affect diffusion measurements and correct subsequent measurements for unbiased diffusion coefficient estimation. We used this assay to quantify the fluidity of the cytoplasmic membranes of the Gram-positive bacteria Bacillus subtilis (rod-shaped) and Staphylococcus aureus (coccus) at high (37°C) and low (20°C) temperatures in a steady state and in response to a cold shock, caused by a shift from high to low temperature. The steady-state fluidity was lower at 20°C than at 37°C, yet differed between B. subtilis and S. aureus at 37°C. Upon cold shock, the membrane fluidity decreased further below the steady-state fluidity at 20°C and recovered within 30 min in both bacterial species. Our minimally invasive assay opens up exciting perspectives for the study of a wide range of phenomena affecting the bacterial membrane, from disruption by chemicals or antibiotics to viral infection or change in nutrient availability.

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a valuable tool to study the molecular dynamics of living cells. When used together with a super-resolution stimulated emission depletion (STED) microscope, STED-FCS can measure diffusion processes at the nanoscale in living cells. In two-dimensional (2D) systems like the cellular plasma membrane, a ring-shaped depletion focus is most commonly used to increase the lateral resolution, leading to more than 25-fold decrease in the observation volumee, reaching the relevant scale of supramolecular arrangements. However, STED-FCS faces severe limitations when measuring diffusion in three dimensions (3D), largely due to the spurious background contributions from undepleted areas of the excitation focus that reduce the signal quality and ultimately limit the resolution. In this paper, we investigate how different STED confinement modes can mitigate this issue. By simulations as well as experiments with fluorescent probes in solution and in cells, we demonstrate that the coherent-hybrid (CH) depletion pattern reduces background most efficiently and thus provides superior signal quality under comparable reduction of the observation volume. Featuring also the highest robustness to common optical aberrations, CH-STED can be considered the method of choice for reliable STED-FCS based investigations of 3D diffusion on the sub-diffraction scale.

Fluorescence correlation spectroscopy in combination with super-resolution stimulated emission depletion microscopy (STED-FCS) is a powerful tool to investigate molecular diffusion with sub-diffraction resolution. It has been of particular use for investigations of two dimensional systems like cell membranes, but has so far seen very limited applications to studies of three-dimensional diffusion. One reason for this is the extreme sensitivity of the axial (3D) STED depletion pattern to optical aberrations. We present here an adaptive optics-based correction method that compensates for these aberrations and allows STED-FCS measurements in the cytoplasm of living cells.

Super-resolution STED microcopy provides optical resolution beyond the diffraction limit. The resolution can be increased laterally (xy/2D) or axially (z/3D). 2D STED has been extensively used to elucidate the nanoscale membrane structure and dynamics, via imaging or combined with spectroscopy techniques such as fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and spectral imaging. On the contrary, z-STED has not been used in this context. Here, we show that a combination of z-STED with FCS or spectral imaging enables us to see previously unobservable aspects of cellular membranes. We show that thanks to an axial resolution of approximately 100 nm, z-STED can be used to distinguish axially close-by membranes, early endocytic vesicles or tubular membrane structures. Combination of z-STED with FCS and spectral imaging showed diffusion dynamics and lipid organization in these structures, respectively.

Cell membrane fluidity is an important phenotypic feature that regulates the diffusion, function and folding of transmembrane and membrane-associated proteins. It is particularly interesting to study it in bacteria as variations in membrane fluidity are known to affect fundamental cellular processes such as respiration, transport and antibiotic resistance. As such key parameter, membrane fluidity is regulated to adapt to environmental variations and stresses like temperature fluctuations or osmotic shocks. Membrane fluidity has been however scarcely studied quantitatively in bacterial cells, mostly because of the lack of available tools. Here, we developed an assay based on total internal reflection fluorescence correlation spectroscopy (TIR-FCS) to directly measure membrane fluidity in live bacteria via the diffusivity of fluorescent membrane markers. We used this assay to quantify the fluidity of the cytoplasmic membrane of the Gram-positive model bacterium Bacillus subtilis in response to a cold shock, caused by a shift from 37°C to 20°C. In our experimental conditions, steady-state fluidity was recovered within 30 mins, and the steady-state fluidity at 20°C was about half of that at 37°C. Our minimally invasive assay opens up exciting perspectives and could be used to study a wide range of phenomena affecting the bacterial membrane, from disruption by antibiotics, antimicrobial peptides, or osmotic shocks.

Abstract Measuring diffusion dynamics in living cells is essential for the understanding of molecular interactions. While various techniques have been used to explore such characteristics in the plasma membrane, this is less developed for measurements inside the cytosol. An example of cytosolic action is the import of proteins into peroxisomes, via the peroxisomal import receptor PEX5. Here, we combined advanced microscopy and spectroscopy techniques such as fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and super-resolution STED microscopy to present a detailed characterization of the diffusion and interaction dynamics of PEX5. Among other features, we disclose a slow diffusion of PEX5, independent of aggregation or target binding, but associated with cytosolic interaction partners via its N-terminal domain. This sheds new light on the functionality of the receptor in the cytosol. Besides specific insights, our study highlights the potential of using complementary microscopy tools to decipher molecular interactions in the cytosol via studying their diffusion dynamics. Summary The peroxisomal import receptor PEX5 transports newly synthesized proteins from the cytosol to the peroxisomal matrix. Here the cytosolic diffusion and interaction dynamics of PEX5 are characterized by advanced microscopic spectroscopy methods, revealing a so far unknown interaction partner.

Bacteria can respond to environmental stresses by entering a dormant state, called viable but non-culturable (VBNC) state, in which they no longer grow in routine culture media. VBNC pathogens pose thus a significant risk for human and animal health as they are not detected by standard growth-based techniques and can wake up back into a vegetative and virulent state. Although hundreds of species were reported to become VBNC in response to different stresses, the molecular mechanisms governing this phenotypic switch remain largely elusive. Here, we characterized the VBNC state transition process in the Gram-positive pathogen Listeria monocytogenes in response to nutritional deprivation. By combining fluorescence microscopy, cryo-electron tomography and analytical biochemistry, we found that starvation in mineral water drives L. monocytogenes into a VBNC state via a mechanism of cell wall (CW) shedding that generates osmotically stable CW-deficient (CWD) coccoid forms. This phenomenon occurs in multiple L. monocytogenes strains and in other Listeria species, suggesting it may be a stress-adapting process transversal to the Listeria genus. Transcriptomic and gene-targeted approaches revealed the stress response regulator SigB and the autolysin NamA as major moderators of CW loss and VBNC state transition. Finally, we show that this CWD dormant state is transient as VBNC Listeria revert back to a walled, vegetative and virulent state after passage in embryonated eggs. Our findings provide unprecedented detail on the mechanisms governing the transition to a VBNC state, and reveal that dormant CWD bacterial forms can naturally arise in aquatic environments without osmotic stabilization. This may represent an alternative strategy for bacterial survival in oligotrophic conditions, which can potentially generate public health-threatening reservoirs of undetectable pathogens.