Abstract ESCRT-III family proteins form composite polymers that deform and cut membrane tubes in the context of a wide range of cell biological processes across the tree of life. In reconstituted systems sequential changes in the composition of ESCRT-III polymers induced by the AAA ATPase Vps4 have been shown to remodel membranes. However, it is not known how composite ESCRT-III polymers are organised and remodelled in space and time in cells. Here, taking advantage of the relative simplicity of the ESCRT-III-dependent division system in Sulfolobus acidocaldarius , one of the closest experimentally tractable prokaryotic relative of eukaryotes, we use super-resolution microscopy and computational modelling to show how CdvB/CdvB1/CdvB2 proteins form a precisely patterned composite ESCRT-III division ring which undergoes stepwise Vps4-dependent disassembly and contracts to cut cells into two. These observations lead us to suggest sequential changes in a patterned composite polymer as a general mechanism of ESCRT-III-dependent membrane remodelling.

Investigating proton transport at the interface in an excited state facilitates the mechanistic investigation and utilization of nanomaterials. However, there is a lack of suitable tools for in-situ and interfacial analysis. Here we addresses this gap by in-situ observing the proton transport of graphene quantum dots (GQDs) in an excited state through reduction of magnetic resonance relaxation time. Experimental results, utilizing 0.1 mT ultra-low-field nuclear magnetic resonance relaxometry compatible with a light source, reveal the light-induced proton dissociation and acidity of GQDs' microenvironment in the excited state (Hammett acidity function: –13.40). Theoretical calculations demonstrate significant acidity enhancement in –OH functionalized GQDs with light induction ( $${{\mathrm{p}}}{K}_{{\text{a}}}^{*}$$ = –4.62, stronger than that of H2SO4). Simulations highlight the contributions of edge and phenolic –OH groups to proton dissociation. The light-induced superacidic microenvironment of GQDs benefits functionalization and improves the catalytic performances of GQDs. Importantly, this work advances the understanding of interfacial properties of light-induced sp2–sp3 carbon nanostructure and provides a valuable tool for exploring catalyst interfaces in photocatalysis. Understanding interfacial proton transport in an excited state is crucial for catalytic and diagnostic applications of nanomaterials. Here, the authors combine ultra-low-field NMR relaxometry with a light source to study the light-induced proton dissociation of graphene quantum dots.

Abstract ESCRT-III filaments are composite cytoskeletal polymers that can constrict and cut cell membranes from the inside of the membrane neck. Membrane-bound ESCRT-III filaments undergo a series of dramatic composition and geometry changes in the presence of an ATP-consuming Vps4 enzyme, which causes stepwise changes in the membrane morphology. We set out to understand the physical mechanisms involved in translating the changes in ESCRT-III polymer composition into membrane deformation. We have built a coarse-grained model in which ESCRT-III polymers of different geometries and mechanical properties are allowed to copolymerise and bind to a deformable membrane. By modelling ATP-driven stepwise depolymerisation of specific polymers, we identify mechanical regimes in which changes in filament composition trigger the associated membrane transition from a flat to a buckled state, and then to a tubule state that eventually undergoes scission to release a small cargo-loaded vesicle. We then characterise how the location and kinetics of polymer loss affects the extent of membrane deformation and the efficiency of membrane neck scission. Our results identify the near-minimal mechanical conditions for the operation of shape-shifting composite polymers that sever membrane necks. Author summary ESCRT-III proteins have the unique ability to cut membrane necks from within, which is needed for a vast number of cell remodelling events including the release of cargo-containing vesicles. ESCRT-III proteins exist in different forms, which can assemble into spiral and helical homopolymers of different curvatures, and they have been suggested to polymerize and depolymerize with each other in a staged manner to deform and cut membranes. We developed a computer model to explore the physical mechanisms behind vesicle budding driven by the staged assembly and disassembly of multiple elastic filaments. We identified rules that determine the outcomes of membrane remodelling, which depend on the relative physical features of the distinct filaments, the dynamics of their disassembly, and on the presence of cargo; thereby providing experimentally testable predictions. Our study provides new physical insights into the ESCRT-III-mediated vesicle budding process, at a single subunit level, and identifies the general design principles of nanomachines built from shapeshifting copolymers, which might also be realized in synthetic systems.