Gram-negative bacteria possess a complex cell envelope that consists of a plasma membrane, a peptidoglycan cell wall and an outer membrane. The envelope is a selective chemical barrier1 that defines cell shape2 and allows the cell to sustain large mechanical loads such as turgor pressure3. It is widely believed that the covalently cross-linked cell wall underpins the mechanical properties of the envelope4,5. Here we show that the stiffness and strength of Escherichia coli cells are largely due to the outer membrane. Compromising the outer membrane, either chemically or genetically, greatly increased deformation of the cell envelope in response to stretching, bending and indentation forces, and induced increased levels of cell lysis upon mechanical perturbation and during L-form proliferation. Both lipopolysaccharides and proteins contributed to the stiffness of the outer membrane. These findings overturn the prevailing dogma that the cell wall is the dominant mechanical element within Gram-negative bacteria, instead demonstrating that the outer membrane can be stiffer than the cell wall, and that mechanical loads are often balanced between these structures. The outer membrane of Gram-negative bacteria is shown to be at least as stiff as the cell wall, and this property enables it to protect cells from mechanical pertubations.

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 Fluctuating conditions and diverse stresses are typical in natural environments. In response, cells mount complex responses across multiple scales, including adjusting their shape to withstand stress. In enterobacteria, the Rcs phosphorelay is activated by cell envelope damage and by changes to periplasmic dimensions and cell width. Here, we investigated the physiological and morphological consequences of Rcs activation in Escherichia coli in the absence of stresses, using an inducible version of RcsF that mislocalizes to the inner membrane, RcsF IM . Expression of RcsF IM immediately reduced cellular growth rate and the added length per cell cycle in a manner that was directly dependent on induction levels, but independent of Rcs-induced capsule production. At the same time, cells increased intracellular concentration of the cell division protein FtsZ, and decreased the distance between division rings in filamentous cells. Depletion of the Rcs negative regulator IgaA phenocopied RcsF IM induction, indicating that IgaA is essential due to growth inhibition in its absence. However, A22 treatment did not affect growth rate or FtsZ intracellular concentration, despite activating the Rcs system. These findings suggest that the effect of Rcs activation on FtsZ levels is mediated indirectly through growth-rate changes, and highlight feedbacks among the Rcs stress response, growth dynamics, and cell-size control.

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.

Abstract The Rcs signal transduction system is a phosphorelay responsible for sensing a wide variety of enterobacterial cell envelope stresses. In Escherichia coli , the Rcs system is required to survive A22 and mecillinam treatment, two drugs that perturb cell size. To test whether cell size changes might be correlated with envelope damage and thereby sensed by the Rcs system, we tuned E. coli cell size via drug inhibition with A22, point mutations to the cell-shape determinant MreB, and mechanically confined growth. In all conditions, cell width was strongly correlated with Rcs activation, with wider cells exhibiting more activation than wild-type. In all conditions, RcsF, the outer membrane-localized upstream component of the Rcs system, was essential for responding to cell width changes. Consistently, several envelope gene deletions known to induce the Rcs system via RcsF resulted in cells that were wider than wild-type. Cryo- electron microscopy revealed that the periplasm of a wide MreB mutant was on average ∼3 nm thinner than wild-type, thereby bringing RcsF closer to the downstream components of the signaling cascade in the inner membrane. Conversely, extending the flexible linker region of RcsF by ∼3 nm increased Rcs activity in wild-type cells. In summary, we propose that the Rcs system responds to changes in cell width because of altered periplasmic thickness.