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Measuring the Bending Stiffness of Bacterial Cells Using an Optical Trap

We developed a protocol to measure the bending rigidity of filamentous rod-shaped bacteria. Forces are applied with an optical trap, a microscopic ...

A filamentous cytoskeleton largely governs the physical shape and mechanical properties of eukaryotic cells. In bacteria, proteins homologous to all three classes of eukaryotic cytoskeletal filaments have recently been discovered. These proteins are essential for the maintenance of bacterial cell shape and have been shown to guide the localization of key cell-wall-modifying enzymes. However, whether the bacterial cytoskeleton is stiff enough to affect the overall mechanical rigidity of a cell has not been probed. Here, we used an optical trap to measure the bending rigidity of live Escherichia coli cells. We find that the actin-homolog MreB contributes nearly as much to the stiffness of a cell as the peptidoglycan cell wall. By quantitatively modeling these measurements, our data indicate that the MreB is rigidly linked to the cell wall, increasing the mechanical stiffness of the overall system. These data are the first evidence that the bacterial cytoskeleton contributes to the mechanical integrity of a cell in much the same way as it does in eukaryotes.

Actin-like cytoskeleton filaments contribute to cell mechanics in bacteria.

Eine filament&ouml;se Zytoskeletts regelt weitgehend die Kondition und die mechanischen Eigenschaften der eukaryotischen Zellen. In Bakterien sind f&uuml;r alle drei Klassen eukaryotische Zytoskelett Filamente homologe Proteine vor kurzem entdeckt worden. Diese Proteine sind essentiell f&uuml;r die Aufrechterhaltung der Bakterienzelle Form und sind gezeigt worden, um die Lokalisierung der zentralen Zelle-Wand-&auml;ndern Enzyme zu f&uuml;hren. Jedoch hat ob bakterielle Zytoskeletts ist steif genug, um die insgesamt mechanische Steifigkeit einer Zelle beeinflussen nicht untersucht worden. Hier haben wir eine optische Falle um die Biege Steifigkeit der lebenden Escherichia coli Zellen zu messen. Wir finden, dass die Aktin-Homolog MreB ann&auml;hernd so viel f&uuml;r die Steifigkeit einer Zelle als die Zellwand Peptidoglycan beitr&auml;gt. Durch quantitativ modellieren diese Messungen, zeigen unsere Daten, dass die MreB starr mit der Zellwand zusammenh&auml;ngt erh&ouml;ht die mechanische Steifigkeit des Gesamtsystems. Diese Daten sind die ersten Beweise, die bakterielle Zytoskeletts der mechanischen Integrit&auml;t einer Zelle in der gleichen Weise tr&auml;gt, wie in Eukaryoten.

Wie Aktin-Zytoskeletts Filamente tragen zur Zelle Mechanik in Bakterien.

Cytoplasmic dynein is a homodimeric AAA+ motor that transports a multitude of cargos toward the microtubule minus end. How the two catalytic head domains interact and move relative to each other during processive movement is unclear. Here, we tracked the relative positions of both heads with nanometer precision and directly observed the heads moving independently along the microtubule. The heads remained widely separated, and their stepping behavior varied as a function of interhead separation. One active head was sufficient for processive movement, and an active head could drag an inactive partner head forward. Thus, dynein moves processively without interhead coordination, a mechanism fundamentally distinct from the hand-over-hand stepping of kinesin and myosin.

Cytoplasmic dynein moves through uncoordinated stepping of the AAA+ ring domains.

Cytoplasmatische Dynein ist ein Homodimeric AAA +-Motor, der eine Vielzahl der Ladungen in Richtung der Microtubule abz&uuml;glich Ende transportiert. Es ist unklar, wie die beiden katalytischen Kopf-Dom&auml;nen interagieren und prozessualen Bewegung relativ zueinander bewegen. Hier verfolgt wir die relativen Positionen der beiden K&ouml;pfe mit Nanometer-Pr&auml;zision und direkt beobachteten die K&ouml;pfe, die entlang der Microtubule unabh&auml;ngig voneinander bewegt. Die K&ouml;pfe blieben weitgehend getrennt, und ihr stepping Verhalten variiert in Abh&auml;ngigkeit von interhead Trennung. Einen aktiven Kopf reichte f&uuml;r prozessualen Bewegung und eine aktive Leiter konnte eine inaktive Partner-Kopf nach vorne ziehen. Dynein bewegt sich somit processively ohne interhead Koordination, einen Mechanismus grundlegend unterscheiden, die Hand &uuml;ber Hand-stepping von Kinesin und Myosin.

Article	Year
Actin-like cytoskeleton filaments contribute to cell mechanics in bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America\| PubMed ID: 20439764	2010
Cytoplasmic dynein moves through uncoordinated stepping of the AAA+ ring domains. Science (New York, N.Y.)\| PubMed ID: 22157083	2012

Peter A. Combs

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