Dynamique spatio-temporelle de l’élongation cellulaire chez E. coli

Spatio-temporal dynamics of cell elongation in E. coli

• Auteur / Autrice : Gizem Özbaykal
• Direction : Sven van Teeffelen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et biologie du développement. Biophysique
• Date : Soutenance le 25/06/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Morphogenèse et croissance microbiennes (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Charles Baroud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Baroud, Arnaud Chastanet, Cécile Morlot, Nicolas Desprat, Cécile Leduc, Ariel Lindner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Chastanet, Cécile Morlot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie de fluorescence

Structures bactériennes

Paroi bactérienne

Microorganismes

Mots clés libres

Morphogenèse microbienne

Allongement cellulaire

Cytosquelette bactérien

Suivi d'une seule particule

Microbial morphogenesis

Cell elongation

Bacterial cytoskeleton

Fluorescence microscopy

Single particle tracking

Résumé

Comment les cellules obtiennent leur forme est une question fondamentale en biologie cellulaire. Les bactéries conservent leur forme avec une grande précision pendant la croissance en remodelant la paroi cellulaire composée de peptidoglycane. Le peptidoglycane est un maillage rigide de brins de glycane réticulés qui définit physiquement la forme cellulaire. Cependant, notre compréhension de la façon dont la paroi cellulaire est régulée mécaniquement est encore très limitée. Ici, nous étudions la dynamique spatio-temporelle des machines moléculaires qui construisent la paroi cellulaire en utilisant la microscopie à fluorescence comme un outil majeur. En particulier, nous étudions les composants des principales machineries d'allongement, rod-complex. Nous abordons une vision largement acceptée dans le domaine qui propose que l'actine bactérienne, MreB, régit les localisations des rod-complex en fonction des signaux de la géométrie locale de la paroi cellulaire et détermine le modèle spatial d'expansion de la paroi. Premièrement, nous démontrons que l'enrichissement précédemment observé des filaments de MreB sur des sites de géométrie particulière de la paroi résulte indirectement du mouvement de rotation des filaments de MreB et de leur exclusion des pôles cellulaires. De plus, en confinant les cellules dans des microchambres, nous montrons que l'expansion de la paroi peut se produire indépendamment du modèle spatial des filaments de MreB. Cela indique que la synthèse de la paroi et son expansion ne sont pas strictement couplées. Nos observations remettent donc en cause le rôle de MreB en tant que déterminant majeur de l'expansion de la paroi cellulaire. Au lieu de cela, nous fournissons des preuves que la transpeptidase PBP2 détermine les emplacements initiaux du rod-complex par une liaison stable à son substrat. Nous montrons que la liaison de PBP2 est indépendante de la présence de filaments MreB et d'autres composants moléculaires connus du rod-complex. Par conséquent, la liaison de PBP2 est probablement la première étape engagée dans la formation d'un rod-complex. Nos résultats suggèrent un rôle important pour l'architecture de la paroi cellulaire en servant les repères de position détectés par PBP2 et en fournissant un modèle pour le mouvement du rod-complex.

How cells obtain their shape is a fundamental question in cell biology. Bacteria maintain their shape with high precision during growth by remodeling the peptidoglycan cell-wall. The peptidoglycan cell wall is a rigid meshwork of crosslinked glycan strands which physically defines the cell shape. However, our understanding of how the cell-wall is mechanistically regulated is still very limited. Here, we investigate the spatio-temporal dynamics of molecular machineries which build the cell wall by using fluorescence microscopy as a major tool. In particular, we study the components of the major elongation machinery, the rod complex. We address a widely accepted view in the field which proposes that the bacterial actin, MreB, governs the localizations of rod complexes based on cues of local cell-wall geometry and determines the spatial pattern of cell-wall expansion. First, we demonstrate that the previously observed enrichment of MreB filaments at sites of particular cell-wall geometry comes about indirectly due to the rotational motion of MreB filaments and due to their exclusion from cell poles. Furthermore, by confining cells into microchambers, we show that cell-wall expansion can occur independently of the spatial pattern of MreB filaments. This indicates that cell-wall synthesis and cell-wall expansion are not strictly coupled. Our observations therefore challenge the role of MreB as a major determinant of cell-wall expansion. Instead, we provide evidence that the transpeptidase PBP2 determines the initial locations of the rod complex through stably binding to its substrate. We show that PBP2 binding is independent of the presence of MreB filaments and other known components of the rod complex. Hence, PBP2 binding is likely the first committed step in rod complex formation. Our findings suggest an important role for the cell-wall architecture through serving the positional cues sensed by PBP2 and providing a template for the motion of the rod complex.