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 The FtsN protein of Escherichia coli and other proteobacteria is an essential and highly conserved bitopic membrane protein that triggers the inward synthesis of septal peptidoglycan (sPG) during cell division. Previous work has shown that the activation of sPG synthesis by FtsN involves a series of interactions of FtsN with other divisome proteins and the cell wall. Precisely how FtsN achieves this role is unclear, but a recent study has shown that FtsN promotes the relocation of the essential sPG synthase FtsWI from an FtsZ-associated track (where FtsWI is inactive) to an sPG-track (where FtsWI engages in sPG synthesis). Whether FtsN works by displacing FtsWI from the Z-track or capturing/retaining FtsWI on the sPG-track is not known. Here we use single-molecule imaging and genetic manipulation to investigate the organization and dynamics of FtsN at the septum and how they are coupled to sPG synthesis activity. We found that FtsN exhibits a spatial organization and dynamics distinct from those of the FtsZ-ring. Single FtsN molecules move processively as a single population with a speed of ∼ 9 nm s -1 , similar to the speed of active FtsWI molecules on the sPG-track, but significantly different from the ∼ 30 nm s -1 speed of inactive FtsWI molecules on the FtsZ-track. Furthermore, the processive movement of FtsN is independent of FtsZ’s treadmilling dynamics but driven exclusively by active sPG synthesis. Importantly, only the essential domain of FtsN, a three-helix bundle in the periplasm, is required to maintain the processive complex containing both FtsWI and FtsN on the sPG-track. We conclude that FtsN activates sPG synthesis by forming a processive synthesis complex with FtsWI exclusively on the sPG-track. These findings favor a model in which FtsN captures or retains FtsWI on the sPG-track rather than one in which FtsN actively displaces FtsWI from the Z-track.

Abstract FtsZ, the tubulin-like GTPase, is the central organizer of the bacterial divisome, a macromolecular complex that synthesizes new septal cell wall and degrades old septal cell wall (made of septal peptidoglycan, sPG) to allow cell wall constriction and cytokinesis. In E. coli , it is well accepted that 1) FtsZ recruits all essential divisome proteins to the septum, including the core sPG synthase complex, FtsWI/QLB and its activator, FtsN; 2) FtsWI/QLB must complex with FtsN to produce sPG under the wild-type background; and 3) the Brownian ratcheting by treadmilling FtsZ polymers drives the directional movements of sPG synthase proteins along the septum circumference; and 4) FtsZ is essential for the early stage, but dispensable for the late stage of cell wall constriction. However, it remains unclear how FtsZ spatial-temporally organizes the divisome for robust bacterial cytokinesis throughout cell wall constriction process. Combining theoretical modeling with experiments in E. coli , we show that at the early stage during cell division, the Brownian ratcheting by FtsZ treadmilling acts both as a template to corral FtsWI/QLB and FtsN into close contacts for FtsWI/QLB-FtsN complex formation and as a conveyor to maximally homologize the septal distribution of sPG synthesis activities to avoid uneven cell wall constriction. When the septum constricts progressively, the FtsN septal density increases via binding to denuded sPG; consequently, the denuded PG-bound FtsN serves as the template to activate FtsWI/QLB for continued sPG synthesis, rendering FtsZ dispensable. Our work establishes an overarching framework that FtsZ spatial-temporally controls over septal cell wall constriction. Significance Bacteria utilize FtsZ, the tubulin-like GTPase, to organize cell wall enzymes during cell division. FtsZ forms treadmilling polymers along the septum circumference and drives the directional movement of cell wall enzymes for robust cell wall constriction. How this role is achieved is unclear. We show that FtsZ treadmilling acts both as a template to corral cell wall enzymes into close contacts for priming and as a conveyor to homologize the septal distribution of cell wall synthesis activities for even septum constriction. These roles evolve at different stages of cell division and are modulated differentially by different bacteria; they likely define an overarching principle for robust cell division across the microbial world.

Abstract The E. coli cell division protein FtsN was proposed to coordinate septal peptidoglycan (sPG) synthesis and degradation to ensure robust cell wall constriction without lethal lesions. Although the precise mechanism remains unclear, previous work highlights the importance of two FtsN domains: the E domain, which interacts with and activates the sPG synthesis complex FtsWIQLB, and the SPOR domain, which binds to denuded glycan (dnG) strands, key intermediates in sPG degradation. Here, we used single-molecule tracking of FtsN and FtsW (a proxy for the sPG synthesis complex FtsWIQLB) to investigate how FtsN coordinates the two opposing processes. We observed dynamic behaviors indicating that FtsN’s SPOR domain binds to dnGs cooperatively, which both sequesters the sPG synthesis complex on dnG (termed as the dnG-track) and protects dnGs from degradation by lytic transglycosylases (LTs). The release of the SPOR domain from dnGs leads to activating the sPG synthesis complex on the sPG-track and simultaneously exposing those same dnGs to degradation. Furthermore, FtsN’s SPOR domain self-interacts and facilitates the formation of a multimeric sPG synthesis complex on both tracks. The cooperative self-interaction of the SPOR domain creates a sensitive switch to regulate the partitioning of FtsN between the dnG- and sPG-tracks, thereby controlling the balance between sequestered and active populations of the sPG synthesis complex. As such, FtsN coordinates sPG synthesis and degradation in space and time.

Abstract The hypersonic vehicle is an important development direction of the future aerospace technology. An important role of this type of aircraft is as a carrier-level aircraft to send the orbit-level aircraft to a specified altitude and a specified speed and then return separately. Due to the high speed during separation, the serious aerodynamic load, and the severe wave system interference between the two aircraft, the safe separation of the aircraft is more challenging. In this paper, based on the Rocket based Combined Cycle (RBCC) two-stage orbiting carrier system, the research is conducted on the separation of the carrier based on the lift body configuration and upper stage rocket in the atmosphere at hypersonic conditions.

Objective To assess the diagnostic value of C-reactive protein (CRP) and procalcitonin (PCT) for anastomotic leakage (AL) following colorectal surgery. Methods We retrospectively analyzed data for patients who underwent colorectal surgery at our hospital between November 2019 and December 2023. CRP and PCT were measured postoperatively to compare patients with/without AL, and changes were compared between low- and high-risk groups. Receiver operating characteristic (ROC) curve analysis was used to assess the diagnostic accuracy of CRP and PCT to identify AL in high-risk patients. Results Mean CRP was 142.53 mg/L and 189.57 mg/L in the low- and high-risk groups, respectively, on postoperative day (POD)3. On POD2, mean PCT was 2.75 ng/mL and 8.16 ng/mL in low- and high-risk patients, respectively; values on POD3 were 3.53 ng/mL and 14.86 ng/mL, respectively. The areas under the curve (AUC) for CRP and PCT on POD3 were 0.71 and 0.78, respectively (CRP cut-off: 235.64 mg/L; sensitivity: 96%; specificity: 89.42% vs PCT cut-off: 3.94 ng/mL; sensitivity: 86%; specificity: 93.56%; AUC: 0.78). The AUC, sensitivity, and specificity for the combined diagnostic ability of CRP and PCT on POD3 were 0.92, 90%, and 100%, respectively (cut-off: 0.44). Conclusions Combining PCT and CRP on POD3 enhances the diagnostic accuracy for AL.

Astigmatism-based superresolution microscopy is widely used to determine the position of individual fluorescent emitters in three-dimensions (3D) with subdiffraction-limited resolutions. This point spread function (PSF) engineering technique utilizes a cylindrical lens to modify the shape of the PSF and break its symmetry above and below the focal plane. The resulting asymmetric PSFs at different z-positions for single emitters are fit with an elliptical 2D-Gaussian function to extract the widths along two principle x- and y-axes, which are then compared with a pre-measured calibration function to determine its z-position. While conceptually simple and easy to implement, in practice, distorted PSFs due to an imperfect optical system often compromise the localization precision; and it is laborious to optimize a multi-purpose optical system. Here we present a methodology that is independent of obtaining a perfect PSF and enhances the localization precision along the z-axis. By utilizing multiple calibration images of fluorescent beads at varying z-planes and characterizing experimentally measured background distributions, we numerically approximated the probability of observing a certain signal in a given pixel from a single emitter at a particular z-plane. We then used a weighted maximum likelihood estimator (WLE) to determine the 3D-position of the emitter. We demonstrate that this approach enhances z-axis localization precision in all conditions we tested, in particular when the PSFs deviate from a standard 2D Gaussian model.

The bacterial tubulin FtsZ is the central component of the division machinery, coordinating an ensemble of proteins involved in septal cell-wall synthesis to ensure successful constriction. How cells achieve this coordination is unknown. We used a combination of imaging, genetic and biochemical approaches to demonstrate that in Escherichia coli cells FtsZ exhibits dynamic treadmilling predominantly determined by its GTPase activity, and that the treadmilling dynamics directs processive movement of the septal cell-wall synthesis machinery. In FtsZ mutants with severely reduced treadmilling, the spatial distribution of septal synthesis and the molecular composition and ultrastructure of the septal cell wall are substantially altered. Thus, the treadmilling of FtsZ provides a novel and robust mechanism for achieving uniform septal cell-wall synthesis to enable correct new pole morphology.

During bacterial cell division, synthesis of new septal peptidoglycan (sPG) is crucial for successful cytokinesis and cell pole morphogenesis. FtsW, a SEDS (Shape, Elongation, Division and Sporulation) family protein and an indispensable component of the cell division machinery in all walled bacterial species, was recently identified in vitro as a new monofunctional peptidoglycan glycosyltransferases (PGTase). FtsW and its cognate monofunctional transpeptidase (TPase) class b penicillin binding protein (PBP3 or FtsI in E. coli) may constitute the essential, bifunctional sPG synthase specific for new sPG synthesis. Despite its importance, the septal PGTase activity of FtsW has not been documented in vivo. How its activity is spatiotemporally regulated in vivo has also remained unknown. Here we investigated the septal PGTase activity and dynamics of FtsW in E. coli cells using a combination of single-molecule imaging and genetic manipulations. We showed that FtsW exhibited robust activity to incorporate an N-acetylmuramic acid analog at septa in the absence of other known PGTases, confirming FtsW as the essential septum-specific PGTase in vivo. Furthermore, we identified two populations of processively moving FtsW molecules at septa. A fast-moving population is driven by the treadmilling dynamics of FtsZ and independent of sPG synthesis. A slow-moving population is driven by active sPG synthesis and independent of FtsZ treadmilling dynamics. We further identified that FtsN, a potential sPG synthesis activator, plays an important role in promoting the slow-moving, sPG synthesis-dependent population. Our results support a two-track model, in which inactive sPG synthase molecules follow the fast treadmilling 'Z-track' to be distributed along the septum; FtsN promotes their release from the 'Z-track' to become active in sPG synthesis on the slow 'sPG-track'. This model integrates spatial information into the regulation of sPG synthesis activity and could serve as a mechanism for the spatiotemporal coordination of bacterial cell wall constriction.

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.