Abstract Cell wall peptidoglycan is a heteropolymeric mesh that protects the bacteria from internal turgor and external insults. In many rod-shaped bacteria, peptidoglycan synthesis for normal growth is achieved by two distinct pathways: the Rod complex, comprised of MreB, RodA and a cognate class B PBP, and the class A PBPs. In contrast to laterally-growing bacteria, pole-growing mycobacteria do not encode an MreB homolog and do not require SEDS protein RodA for in vitro growth. However, RodA contributes to survival of Mycobacterium tuberculosis in some infection models, suggesting that the protein could have a stress-dependent role in maintaining cell wall integrity. Under basal conditions, we find here that the subcellular distribution of RodA largely overlaps with that of the aPBP PonA1, and that both RodA and the aPBPs promote polar peptidoglycan assembly. Upon cell wall damage, RodA fortifies M. smegmatis against lysis and, unlike aPBPs, contributes to a shift in peptidoglycan assembly from the poles to the sidewall. Neither RodA nor PonA1 relocalize; instead, the redistribution of nascent cell wall parallels that of peptidoglycan precursor synthase MurG. Our results support a model in which mycobacteria balance polar growth and cell-wide repair via spatial flexibility in precursor synthesis and extracellular insertion. Importance Peptidoglycan synthesis is a highly successful target for antibiotics. The pathway has been extensively studied in model organisms under laboratory-optimized conditions. In natural environments, bacteria are frequently under attack. Moreover the vast majority of bacterial species are unlikely to fit a single paradigm because of differences in growth mode and/or envelope structure. Studying cell wall synthesis under non-optimal conditions and in non-standard species may improve our understanding of pathway function and suggest new inhibition strategies. Mycobacterium smegmatis, a relative of several notorious human and animal pathogens, has an unusual polar growth mode and multi-layered envelope. In this work we challenged M. smegmatis with cell wall-damaging enzymes to characterize the roles of cell wall-building enzymes when the bacterium is under attack.

Summary Lateral partitioning of proteins and lipids shapes membrane function. In model membranes, partitioning can be influenced by interactions with other membranes and solid supports. While cellular membranes can departition in response to various perturbations, including disruption of bilayer-extrinsic structures, the mechanisms by which they partition de novo are largely unknown. The plasma membrane of Mycobacterium smegmatis can be spatially and biochemically departitioned by the fluidizing agent benzyl alcohol. By screening for mutants that are sensitive to benzyl alcohol, we show that the bifunctional cell wall synthase PonA2 promotes membrane partitioning and cell growth upon fluidizer washout. PonA2’s role in membrane repartitioning and regrowth depends solely on its conserved transglycosylase domain. We find that the cell wall polymer, but not active cell wall polymerization, is critical for membrane partitioning. Our work highlights a key initiating role for bilayer-extrinsic structures in patterning cellular membranes.

Abstract Mycobacteria share an unusually complex, multilayered cell envelope, which contributes to adaptation to changing environments. The plasma membrane is the deepest layer of the cell envelope and acts as the final permeability barrier against outside molecules. There is an obvious need to maintain the plasma membrane integrity, but the adaptive responses of plasma membrane to stress exposure remain poorly understood. Using chemical treatment and heat stress to fluidize the membrane, we show here that phosphatidylinositol (PI)-anchored plasma membrane glycolipids known as PI mannosides (PIMs) rapidly remodel their structures upon membrane fluidization in Mycobacterium smegmatis . Without membrane stress, PIMs are predominantly in a tri-acylated form: two acyl chains of PI moiety plus one acyl chain modified at one of the mannose residues. Upon membrane fluidization, the fourth fatty acid is added to the inositol moiety of PIMs, making them tetra-acylated variants. PIM inositol acylation is a rapid response independent of de novo protein synthesis, representing one of the fastest mass conversions of lipid molecules found in nature. Strikingly, we found that M. smegmatis is more resistant to the bactericidal effect of a cationic detergent after benzyl alcohol preexposure. We further demonstrate that fluidization-induced PIM inositol acylation is conserved in pathogens such as Mycobacterium tuberculosis and Mycobacterium abscessus . Our results demonstrate that mycobacteria possess a mechanism to sense plasma membrane fluidity change. We suggest that inositol acylation of PIMs is a novel membrane stress response that enables mycobacterial cells to resist membrane fluidization.

Cell wall peptidoglycan, a mesh of polysaccharides crosslinked by short peptides, encases the bacterial cell and protects it from turgor pressure lysis. Peptidoglycan synthesis is an effective antibiotic target. Assembly of the biopolymer occurs in close association with the plasma membrane, but higher order organization of the process has not been described. In mycobacteria, intracellular membrane domains comprise biochemically and spatially distinct regions within the conventional plasma membrane. We find that lipid-linked peptidoglycan precursors are made in these domains and then trafficked to the conventional plasma membrane for insertion into the cell wall. Disorganization of the membrane rapidly delocalizes and then halts peptidoglycan assembly. Our data show that membrane compartmentalization is an essential feature of mycobacterial cell wall biogenesis.

Abstract Mycobacteria diverge in a basic way from other bacterial and eukaryotic cells based on their distinct membrane structures. Here we report genome-wide transposon sequencing to discover the controllers of membrane compartmentalization in Mycobacterium smegmatis. cfa , a gene that encodes a putative cyclopropane-fatty-acyl-phospholipid synthase, shows the most significant effect on recovery from a membrane destabilizer, dibucaine. Lipidomic analysis of cfa deletion mutants demonstrates an essential role of Cfa in the synthesis of specific membrane lipids containing a C19:0 monomethyl-branched stearic acid. This molecule, also known as tuberculostearic acid (TBSA), has been intensively studied for decades due to its high level and genus-specific expression in mycobacteria. The proposed Cfa-mediated conversion of an unsaturation to a methylation matched well with its proposed role in lateral membrane organization, so we used new tools to determine the non-redundant effects of Cfa and TBSA in mycobacterial cells. cfa expression regulated major classes of membrane lipids including phosphatidylinositols, phosphatidylethanolamines and phosphatidylinositol mannosides. Cfa localized within the intracellular membrane domain (IMD), where it controls both cellular growth and recovery from membrane fluidization by facilitating subpolar localization of the IMD. Overall, cfa controls lateral membrane partitioning but does not detectably alter orthogonal transmembrane permeability. More generally, these results support the proposed role of the subpolar IMD as a subcellular site of mycobacterial control of membrane function. Significance Mycobacteria remain major causes of disease worldwide based in part on their unusual membrane structures, which interface with the host. Here we discover the long sought biosynthetic origin of tuberculostearic acid (TBSA), a major fatty acid found selectively in mycobacteria, as well as its role in mycobacterial cells. The lipid is produced by an enzyme called Cfa, whose loss causes a growth defect and slow reformation of a membrane domain near the pole of the rod-shaped cell. Thus, our study offers mechanistic insights to the intrinsic molecular factors critical for mycobacterial plasma membrane partitioning.