Near-wellbore rock fracture is a key subject in subsurface energy extraction. Casing perforation completion is perhaps the most used type of well design mainly in comparison to the open hole completion. However, the effects of the combined casing-cementing-rock structure on pressure transmission in fracturing the rock have not been sufficiently addressed, but is key to understanding some important phenomena in hydraulic fracturing, such as fracture tortuosity. Here we develop a combined analytical-numerical model to investigate the rock fracture mechanism near the wellbore with realistic consideration of the boundary condition imposed by the complete well system. Different well configurations can lead to variation in the pressure applied on the rock formation and hence affect the fracture propagation near the wellbore. Our results show, as the pressure transmission through the well structure is enhanced, the fracture propagates more closely to the perforation orientation with a smaller deflection angle and the breakdown pressure is increased. The near-well tortuosity of the crack can be reduced by decreasing the thickness of casing and cement sheath, reducing Young's modulus of casing and increasing Young's modulus of cement up to around 15 GPa, based on the realistic range of values of the well parameters. The effects of in-situ stress condition and perforation angle and length on the near-well cracking are also investigated. The developed model can be used to aid decision making in terms of improved understanding of hydraulic fracturing technology and well design optimization.

Cell size, cell growth and the cell cycle are necessarily intertwined to achieve robust bacterial replication. Yet, a comprehensive and integrated view of these fundamental processes is lacking. Here, we describe an image-based quantitative screen of the single-gene knockout collection of Escherichia coli, and identify many new genes involved in cell morphogenesis, population growth, nucleoid (bulk chromosome) dynamics and cell division. Functional analyses, together with high-dimensional classification, unveil new associations of morphological and cell cycle phenotypes with specific functions and pathways. Additionally, correlation analysis across ~4,000 genetic perturbations shows that growth rate is surprisingly not predictive of cell size. Growth rate was also uncorrelated with the relative timings of nucleoid separation and cell constriction. Rather, our analysis identifies scaling relationships between cell size and nucleoid size and between nucleoid size and the relative timings of nucleoid separation and cell division. These connections suggest that the nucleoid links cell morphogenesis to the cell cycle.

Summary In bacteria, faithful DNA segregation of chromosomes and plasmids is mainly mediated by ParABS systems. These systems, consisting of a ParA ATPase, a DNA binding ParB CTPase, and centromere sites parS , orchestrate the separation of newly replicated DNA copies and their intracellular positioning. Accurate segregation relies on the assembly of a high-molecular-weight complex, comprising a few hundreds of ParB dimers nucleated from parS sites. This complex assembles in a multi-step process and exhibits dynamic liquid-droplet properties. Despite various proposed models, the complete mechanism for partition complex assembly remains elusive. This study investigates the impact of DNA supercoiling on ParB DNA binding profiles in vivo , using the ParABS system of the plasmid F. We found that variations in DNA supercoiling does not significantly affect any steps in the assembly of the partition complex. Furthermore, physical modeling, leveraging ChIP-seq data from linear plasmids F, suggests that ParB sliding is restricted to approximately 2-Kbp from parS , highlighting the necessity for additional mechanisms beyond ParB sliding over DNA for concentrating ParB into condensates nucleated at parS . Lastly, explicit simulations of a polymer coated with bound ParB suggest a dominant role for ParB-ParB interactions in DNA compaction within ParB condensates.

Abstract In bacteria, faithful DNA segregation of chromosomes and plasmids is mainly mediated by ParABS systems. These systems, consisting of a ParA ATPase, a DNA binding ParB CTPase, and centromere sites parS , orchestrate the separation of newly replicated DNA copies and their intracellular positioning. Accurate segregation relies on the assembly of a high‐molecular‐weight complex, comprising a few hundreds of ParB dimers nucleated from parS sites. This complex assembles in a multi‐step process and exhibits dynamic liquid‐droplet properties. Despite various proposed models, the complete mechanism for partition complex assembly remains elusive. This study investigates the impact of DNA supercoiling on ParB DNA binding profiles in vivo, using the ParABS system of the plasmid F. We found that variations in DNA supercoiling does not significantly affect any steps in the assembly of the partition complex. Furthermore, physical modeling, leveraging ChIP‐seq data from linear plasmids F, suggests that ParB sliding is restricted to approximately 2 Kbp from parS , highlighting the necessity for additional mechanisms beyond ParB sliding over DNA for concentrating ParB into condensates nucleated at parS . Finally, explicit simulations of a polymer coated with bound ParB suggest a dominant role for ParB‐ParB interactions in DNA compaction within ParB condensates.

Abstract Bacterial genomes contain a plethora of secondary replicons of divergent size. Circular replicons must carry a system for resolving dimeric forms, resulting from recombination between sister copies. These systems use site-specific recombinases. Among these, the XerCD recombinase resolves dimers of chromosomes and certain plasmids using different controls. We have analyzed the dimer resolution functions in enterobacterial secondary replicons and show that, in addition to the main chromosomes, XerCD is preferentially used by small plasmids and by the largest secondary replicons, megaplasmids and secondary chromosomes. Indeed, all replicons longer than 250 kb host an active XerCD recombination site. These sites, in contrast to those of small plasmids, use the same control as chromosomes, coupled to cell division by the FtsK protein. We conclude that a chromosome-like mode of dimer resolution is mandatory for the faithful inheritance of large plasmids and chromids, its acquisition being a prerequisite for the genesis of secondary chromosomes from plasmids.

Abstract Low-copy-number plasmids require sophisticated genetic devices to achieve efficient segregation of plasmid copies during cell division. Plasmid R388 uses a unique segregation mechanism, based on StbA, a small multifunctional protein. StbA is the key protein in a segregation system not involving a plasmid-encoded NTPase partner, it regulates the expression of several plasmid operons, and it is the main regulator of plasmid conjugation. The mechanisms by which StbA, together with the centromere-like sequence stbS , achieves segregation, is largely uncharacterized. To better understand the molecular basis of R388 segregation, we determined the crystal structure of the conserved N-terminal domain of StbA to 1.9 Å resolution. It folds into an HTH DNA-binding motif, structurally related to that of the PadR subfamily II of transcriptional regulators. StbA is organized in two domains. Its N-terminal domain carries the specific stbS DNA binding activity. A truncated version of StbA, deleted of its C-terminal domain, displays only partial activities in vivo , indicating that the non-conserved C-terminal domain is required for efficient segregation and subcellular plasmid positioning. The structure of StbA DNA-binding domain also provides some insight into how StbA monomers cooperate to repress transcription by binding to the stbDR and to form the segregation complex with stbS .

Regions of the chromosome where replication terminates host specific activities in all organisms. In Escherichia coli, this region, named ter, is also the last segregated before cell division. Delayed segre-gation is controlled by the MatP protein, binding specific matS sites along ter. We investigated the fate of the E. coli ter region and the role of MatP by combining a detailed in vivo analysis of the mobility of a ter locus at short time scales with in vitro biochemical approaches. We found that ter dynamics differs only slightly from that of a control locus located close to the replication origin, except when sister ter loci are paired following their replication. MatP thus mainly acts in maintaining sister ter paired, but only plays a faint role in absence of pairing. This effect depends on MatP, its 20 C-terminal residues and ZapB to different levels, implying a role for all known MatP activities. We char-acterised MatP/DNA complexes and conclude that while MatP binds DNA as a tetramer, it barely forms specific DNA loops by bridging matS sites in a DNA rich environment. We propose that tetram-erisation of MatP links matS sites with ZapB and/or with non-specific DNA to promote optimal pairing of sister ter regions until cell division.

Abstract IS 1202 , originally isolated from Streptococcus pneumonia in the mid-1990s had been previously tagged as an emerging IS family in ISfinder. While searching for plasmid-associated Xer recombinase recombination sites ( xrs ) in Acinetobacter baumannii , we observed that some insertion sequences related to IS 1202 were repeatedly found abutting these sites in a number of plasmids. The plasmids often carried repeated xrs thought to form a new type of mobile genetic element (MGE) which uses the chromosomally-encoded XerCD recombinase for mobility. The MGE ( xrs cassette) consist of xrs flanking one or a small number of genes often including different clinically important carbapenemase-encoding bla -OXA. The IS 1202- related IS are inserted with their left, transposase proximal extremity, IRL, five base pairs from xrs and include a characteristic 5bp flanking target duplication. Further searches revealed that many different plasmid- and chromosome-borne xrs can be targeted and that IS 1202 - xrs combinations are not limited to Acinetobacter baumannii but occur in other bacteria. In addition to 28 IS 1202 group ISs in ISfinder and a number which had been subsequently submitted, we undertook a survey of the NCBI (February 2020) and identified 138 additional IS 1202 -related IS. These could be divided into 3 principal subgroups based on their transposase sequences and on the length of the DR generated on insertion: subgroup IS 1202 27-28bp DR); IS Tde1 (15-17bp); and IS Aba32 (5-6bp). Members of each group which lacked DR were also found. But since other examples of most of these were subsequently identified having DR, those lacking DR may have been generated by intra-replicon recombination. Only members of the group which generate 5bp DR were found to target xrs . These were not only identified in plasmids but also occurred at some individual xrs sites, dif , located at the chromosome replication terminus and involved in post-replication chromosome segregation. Further analysis showed the presence of subgroup-specific indels in their transposases which may be responsible for the differences in their behavior. We propose that this collection of IS be classed as a new insertion sequence family: the IS 1202 family composed of at three subfamilies, only one of which specifically targets plasmid-borne xrs . We discuss the implications of xrs targeting for gene mobility.

Abstract Antibiotic-resistant infections pose a pressing challenge in clinical settings. Plasmids are widely recognized for hastening the emergence of resistance by facilitating horizontal gene transfer of antibiotic resistance genes among bacteria. We explore this inquiry in Acinetobacter baumannii , a globally emerging nosocomial pathogen responsible for a wide array of infections with worrying accumulation of resistances, notably involving plasmids. In this specie, plasmids of the Rep_3 family harbor adaptive genes within variable regions edged by potential site-specific recombination sites recognized by the XerCD recombinase. We first show that the Xer system of Acinetobacter baumannii functions as described in Escherichia coli , resolving chromosome dimers at the dif site as well as recombining plasmid-borne sites. The multiple Xer recombination sites found in Rep_3 plasmids do not, however, allow excising plasmid fragments. They rather recombine to co-integrate plasmids, which may then further evolve to exchange genes. Co-integrates represent a significative part of the plasmid population and their formation is controlled by the sequence of the recombination sites determining their compatibility between the recombining sites. We conclude that plasmids frequently exchange genes in Acinetobacter baumannii using Xer recombination, allowing a high level yet controlled plasticity involved in the acquisition and combination of resistance genes.