ABSTRACT Insertion of new material into the Escherichia coli peptidoglycan (PG) sacculus between the cytoplasmic membrane and the outer membrane requires a well-organized balance between synthetic and hydrolytic activities to maintain cell shape and avoid lysis. The hydrolytic enzymes outnumber the enzymes that insert new PG by far and very little is known about their specific function. Here we show that the DD-carboxy/endopeptidase PBP4 localizes in a PBP1A/LpoA and FtsEX dependent fashion at midcell during septal PG synthesis. Midcell localization of PBP4 requires its non-catalytic domain 3 of unknown function, but not the activity of PBP4 or FtsE. Microscale thermophoresis with isolated proteins shows that domain 3 is needed for the interaction with NlpI, but not PBP1A or LpoA. In vivo crosslinking experiments confirm the interaction of PBP4 with PBP1A and LpoA. We propose that PBP4 functions together with the amidases AmiA and B to create denuded glycan strands to attract the initiator of septal PG synthesis, FtsN. Consistent with this model, we found that the divisome assembly at midcell was significantly affected in cells lacking PBP4. IMPORTANCE Peptidoglycan biosynthesis is a major target for antibacterials. The covalently closed peptidoglycan mesh, called sacculus, protects the bacterium from lysis due to its turgor. Sacculus growth is facilitated by the balanced activities of synthases and hydrolases, and disturbing this balance leads to cell lysis and bacterial death. Because of the large number and possible redundant functions of peptidoglycan hydrolases, it has been difficult to decipher their individual functions. In this paper we show that the DD-endopeptidase PBP4 localizes at midcell during septal peptidoglycan synthesis in Escherichia coli and is important for the timing of the assembly of the division machinery. This shows that inhibition of certain hydrolases could weaken the cells and might enhance antibiotic action.

The peptidoglycan (PG) sacculus provides bacteria with the mechanical strength to maintain cell shape and resist osmotic stress. Enlargement of the mesh-like sacculus requires the combined activity of PG synthases and hydrolases. In Escherichia coli, the activity of the two bifunctional PG synthases is driven by lipoproteins anchored in the outer membrane. However, the regulation of PG hydrolases is less well understood, with only regulators for PG amidases having been described. Here, we identify the lipoprotein NlpI as a general adaptor protein for PG hydrolases. NlpI binds to different classes of hydrolases and can specifically form multimeric complexes with various PG endopeptidases. In addition, NlpI seems to contribute both to PG elongation and cell division biosynthetic complexes based on its localization and genetic interactions. In line with such a role, we reconstitute PG multi-enzyme complexes containing NlpI, the PG synthesis regulator LpoA, its cognate bifunctional synthase, PBP1A, and different endopeptidases. Our results indicate that PG regulators and adaptors are part of PG biosynthetic multi-enzyme complexes, regulating and potentially coordinating the spatiotemporal action of PG synthases and hydrolases.

Sinorhizobium meliloti is an α-proteobacterium belonging to the Rhizobiales. Bacteria from this order elongate their cell wall at the new cell pole, generated by cell division. Screening for protein interaction partners of the previously characterized polar growth factors RgsP and RgsM, we identified the inner membrane components of the Tol-Pal system (TolQ and TolR) and novel Rgs (rhizobial growth and septation) proteins with unknown functions. TolQ, Pal and all Rgs proteins, except for RgsE, were indispensable for S. meliloti cell growth. Six of the Rgs proteins, TolQ and Pal localized to the growing cell pole in the cell elongation phase and to the septum in pre-divisional cells, and three Rgs proteins localized to growing cell pole only. The FtsN-like protein RgsS contains a conserved SPOR domain and is indispensable at the early stages of cell division. The components of the Tol-Pal system were required at the late stages of cell division. RgsE, a homolog of the Agrobacterium tumefaciens growth pole ring protein GPR, has an important role in maintaining the normal growth rate and rod cell shape. RgsD is a novel periplasmic protein with the ability to bind peptidoglycan. Analysis of the phylogenetic distribution of novel Rgs proteins showed that they are conserved in Rhizobiales and mostly absent from other α-proteobacterial orders, suggesting a conserved role of these proteins in polar growth.