ABSTRACT In bacteria, most low-copy-number plasmid and chromosomally encoded partition systems belong to the tripartite ParAB S partition machinery. Despite the importance in genetic inheritance, the mechanisms of ParAB S -mediated genome partition are not well understood. Combining theory and experiment, we provided evidences that the ParAB S system – partitioning via the ParA gradient-based Brownian ratcheting – operates near a critical point in vivo . This near-critical-point operation adapts the segregation distance of replicated plasmids to the half-length of the elongating nucleoid, ensuring both cell halves to inherit one copy of the plasmids. Further, we demonstrated that the plasmid localizes the cytoplasmic ParA to buffer the partition fidelity against the large cell-to-cell fluctuations in ParA level. Thus, the spatial control over the near-critical-point operation not only ensures both sensitive adaption and robust execution of partitioning, but sheds light on the fundamental question in cell biology: How do cells faithfully measure cellular-scale distance by only using molecular-scale interactions?

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.

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.

Abstract In Escherichia coli , translocation of RNA polymerase (RNAP) during transcription introduces supercoiling to DNA, which influences the initiation and elongation behaviors of RNAP. To quantify the role of supercoiling in transcription regulation, we develop a spatially resolved supercoiling model of transcription, describing RNAP-supercoiling interactions, topoisomerase activities, stochastic topological domain formation, and supercoiling diffusion in all transcription stages. This model establishes that transcription-induced supercoiling mediates the cooperation of co-transcribing RNAP molecules in highly expressed genes. It reveals that supercoiling transmits RNAP-accessible information through DNA and enables different RNAP molecules to communicate within and between genes. It thus predicts that a topological domain could serve as a transcription regulator, generating substantial transcription bursting and coordinating communications between adjacent genes in the domain. The model provides a quantitative platform for further theoretical and experimental investigations of how genome organization impacts transcription. Author Summary DNA mechanics and transcription dynamics are intimately coupled. During transcription, the translocation of RNA polymerase overwinds the DNA ahead and underwinds the DNA behind, rendering the DNA supercoiled. The supercoiled DNA could, in return, influences the behavior of the RNA polymerase, and consequently the amount of mRNA product it makes. Furthermore, supercoils could propagate on the DNA over thousands of base pairs, impacting RNA polymerase molecules at faraway sites. These complicated interplays between supercoiling and RNA polymerase makes supercoiling an important transcription regulator. To quantitatively investigate the role of supercoiling in transcription, we build a spatially resolved model that links transcription with the generation, propagation, and dissipation of supercoiling. Our model reveals that supercoiling mediates transcription at multiple length scales. At a single-gene scale, we show that supercoiling gives rise to the collective motion of co-transcribing RNA polymerase molecules, supporting recent experimental observations. Additionally, large variations in mRNA production of a gene can arise from the constraints of supercoiling diffusion in a topological domain. At a multi-gene scale, we show that supercoiling dynamics allow two adjacent genes influence each other’s transcription kinetics, thus serving as a transcription regulator.