Microfluidic in combination with fluorescence microscopy is a powerful approach for quanatitative analysis of bacterial growth. Here we measure parameters of growth and dynamic localization of the cell division initiation protein FtsZ in Bacillus subtilis. Consistent with previous reports, we find that after division FtsZ rings remain at the cell pole and FtsZ ring disassembly coincides with rapid Z-ring accumulation at the midcell. In cells mutated for minD, however, the polar FtsZ rings persist indefinitely, suggesting that the primary function of the Min system is in Z-ring disassembly. The inability to recycle FtsZ monomers in the minD mutant results in maintenance of multiple Z-rings simultaneously, that are restricted by competition for newly synthesized FtsZ. Whereas the parameters of FtsZ dynamics change in the minD mutant, the overall cell cycle remains the same, albeit with elongated cells necessary to accumulate a threshold concentration of FtsZ for promoting medial division. Finally, the minD mutant characteristically produces minicells composed of polar peptidoglycan shown to be inert for remodeling in the wild type. Polar peptidoglycan however, loses its inert character in the minD mutant suggesting that not only is the Min system important for recycling FtsZ but also may have a secondary role in the regulation of peptidoglycan remodeling.

ABSTRACT Bacteria that divide by binary fission form FtsZ rings at the geometric midpoint of the cell between the bulk of the replicated nucleoids. In B. subtilis , the DNA- and membrane-binding Noc protein is thought to mediate nucleoid occlusion to prevent FtsZ rings from forming over the chromosome. To explore the role of Noc, we used time-lapse fluorescence microscopy to monitor FtsZ and the nucleoid of cells growing in microfluidic channels. Our data show that Noc does not prevent FtsZ formation over the chromosome or control cell division site selection. Instead, Noc inhibits migration of FtsZ protofilaments from one FtsZ structure to the next. Moreover, we show that FtsZ protofilaments travel due to a local reduction in ZapA association, and the Noc mutant phenotype can be suppressed by ZapA overexpression. Thus, Noc maintains a high local concentration of FtsZ to stabilize FtsZ rings during cytokinesis. IMPORTANCE In bacteria, a condensed structure of FtsZ (Z-ring) recruits cell division machinery, and Z-ring formation is inhibited over the chromosome by a poorly understood phenomenon called nucleoid occlusion. In B. subtilis , nucleoid occlusion has been reported to be mediated by the DNA-membrane bridging protein, Noc. Using time-lapse fluorescence microscopy of cells growing in microchannels, we show that Noc neither protects the chromosome from proximal Z-ring formation nor determines the future site of cell division. Rather, Noc plays a corralling role by preventing protofilaments from leaving a Z-ring undergoing cytokinesis and traveling over the nucleoid.

ABSTRACT Bacteria use surface appendages called type IV pili to perform diverse activities including DNA uptake, twitching motility, and attachment to surfaces. Dynamic extension and retraction of pili is often required for these activities, but the stimuli that regulate these dynamics remain poorly characterized. To study this question, we use the bacterial pathogen Vibrio cholerae , which uses mannose-sensitive hemagglutinin (MSHA) pili to attach to surfaces in aquatic environments as the first step in biofilm formation. Here, we find that V. cholerae cells retract MSHA pili and detach from a surface in microaerobic conditions. This response is dependent on the phosphodiesterase CdpA, which decreases intracellular levels of cyclic-di-GMP (c-di-GMP) under microaerobic conditions to induce MSHA pilus retraction. CdpA contains a putative NO-sensing NosP domain, and we demonstrate that nitric oxide (NO) is necessary and sufficient to stimulate CdpA-dependent detachment. Thus, we hypothesize that microaerobic conditions result in endogenous production of NO (or an NO-like molecule) in V. cholerae . Together, these results describe a regulatory pathway that allows V. cholerae to rapidly abort biofilm formation. More broadly, these results show how environmental cues can be integrated into the complex regulatory pathways that control pilus dynamic activity and attachment in bacterial species.

ABSTRACT During growth, bacteria increase in size and divide. Division is initiated by the formation of the Z-ring, an intense ring-like cytoskeletal structure formed by treadmilling protofilaments of the tubulin homolog FtsZ. FtsZ localization is thought to be controlled by the Min and Noc systems, and here, we explore why cell division fails at high temperature when the Min and Noc systems are simultaneously mutated. Microfluidic analysis of a minD noc double mutant indicated that FtsZ formed proto-Z-rings at periodic inter-chromosome locations but that the rings failed to mature and become functional. Extragenic suppressor analysis indicated that a variety of mutations restored high temperature growth to the minD noc double mutant, and while many were likely pleiotropic, others implicated the proteolysis of the transcription factor Spx. Further analysis indicated that a Spx-dependent pathway activated the expression of ZapA, a protein that primarily compensates for the absence of Noc. Additionally, an Spx-independent pathway increased the activity of the divisome to reduce the length of the cytokinetic period. Finally, we provide evidence of an as-yet-unidentified protein that is activated by Spx and governs the frequency of polar division and minicell formation. IMPORTANCE Bacteria must properly position the location of the cell division machinery in order to grow, divide, and ensure each daughter cell receives one copy of the chromosome. In B. subtilis , cell division site selection is thought to depend on two systems called Min and Noc, and while neither is individually essential, cells fail to grow at high temperature when both are mutated. Here, we show that cell division fails in the absence of Min and Noc, not due to a defect in FtsZ localization, but rather a failure in the maturation of the cell division machinery. To understand what happens when the division machinery fails to mature, suppressor mutations that bypass the need for Min, Noc, or both were selected. Some of the mutants activated the Spx stress response pathway while others appeared to directly enhance divisome activity.