The explosion of sequence information in bacteria makes developing high-throughput, cost-effective approaches to matching genes with phenotypes imperative. Using E. coli as proof of principle, we show that combining large-scale chemical genomics with quantitative fitness measurements provides a high-quality data set rich in discovery. Probing growth profiles of a mutant library in hundreds of conditions in parallel yielded > 10,000 phenotypes that allowed us to study gene essentiality, discover leads for gene function and drug action, and understand higher-order organization of the bacterial chromosome. We highlight new information derived from the study, including insights into a gene involved in multiple antibiotic resistance and the synergy between a broadly used combinatory antibiotic therapy, trimethoprim and sulfonamides. This data set, publicly available at http://ecoliwiki.net/tools/chemgen/, is a valuable resource for both the microbiological and bioinformatic communities, as it provides high-confidence associations between hundreds of annotated and uncharacterized genes as well as inferences about the mode of action of several poorly understood drugs.

Growth of the mesh-like peptidoglycan (PG) sacculus located between the bacterial inner and outer membranes (OM) is tightly regulated to ensure cellular integrity, maintain cell shape, and orchestrate division. Cytoskeletal elements direct placement and activity of PG synthases from inside the cell, but precise spatiotemporal control over this process is poorly understood. We demonstrate that PG synthases are also controlled from outside of the sacculus. Two OM lipoproteins, LpoA and LpoB, are essential for the function, respectively, of PBP1A and PBP1B, the major E. coli bifunctional PG synthases. Each Lpo protein binds specifically to its cognate PBP and stimulates its transpeptidase activity, thereby facilitating attachment of new PG to the sacculus. LpoB shows partial septal localization, and our data suggest that the LpoB-PBP1B complex contributes to OM constriction during cell division. LpoA/LpoB and their PBP-docking regions are restricted to γ-proteobacteria, providing models for niche-specific regulation of sacculus growth.

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.

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.