# Mechanism of Cellulose Synthesis and Transport Across Biological Membranes

> **NIH NIH R01** · UNIVERSITY OF VIRGINIA · 2020 · $547,260

## Abstract

Cellulose  is  the  most  abundant  biopolymer  on  earth.  It  is  a  linear  polymer  of  glucose  molecules  primarily 
formed  by  vascular  plants  but  also  by  green  algae,  bacteria,  and  even  tunicates.  Bacterial  cellulose  is 
frequently  found  in  biofilms,  which  are  sessile  bacterial  communities  encased  in  a  3-­dimensional  matrix  of 
polysaccharides, proteinaceous fibers, and nucleic acids. Biofilm bacteria are less susceptible to anti-­microbial 
treatments and are responsible for about 80% of hospital-­derived infections, thereby posing a significant risk to 
human  health.  Developing  novel  therapeutics  to  treat  or  prevent  biofilm  infections  requires  a  detailed 
mechanistic understanding of how the biofilm constituents, in particular polysaccharides, are synthesized and 
deposited outside the cell. The proposed research seeks to provide this information. 
Bacterial  cellulose  biosynthesis  is  an  ideal  model  system  to  study  the  mechanism  and  regulation  of  exo-­
polysaccharide  secretion.  Gram-­negatives  produce  and  secrete  cellulose  via  a  multi-­subunit  complex 
consisting  of  the  inner  membrane  BcsA  and  BcsB  subunits,  the  periplasmic  BcsZ  hydrolase,  as  well  as  the 
outer  membrane  subunit  BcsC.  Our  previous  work  provided  detailed  mechanistic  insights  into  how  the  inner 
membrane-­integrated BcsA-­B complex elongates the cellulose chain and translocates the polymer across the 
plasma membrane. While current data explain how cellulose is extended, we currently have no information on 
how cellulose biosynthesis initiates. This question will be addressed biochemically in Aim 1a by reconstituting 
the initiation reaction in vitro from cell-­free expressed 'uninitiated' cellulose synthase.     
BcsA  processively  elongates  cellulose  and  pushes  the  polymer  into  a  transmembrane  channel  formed  by  its 
own  membrane-­spanning  region.  Structural  snapshots  of  different  cellulose  synthase  states  during  cellulose 
synthesis and membrane translocation provide insights into conformational changes during this process. Yet a 
precise  analysis  of  energetic  requirements  for  and  processivity  rates  of  cellulose  translocation  is  currently 
missing. We will address these questions on a single molecule level using an optically trapped and catalytically 
active BcsA-­B complex in Aim 1b.  
Past the inner membrane and in Gram-­negatives, cellulose must cross the periplasm and the outer membrane 
before  reaching  the  biofilm  matrix.  This  section  of  the  translocation  path  is  most  likely  formed  by  a  direct 
interaction of periplasmic and outer membrane components with the BcsA-­B complex at the inner membrane. 
In  Aim  2  we  seek  to  reconstitute  outer  membrane  transport  of  cellulose  from  nanodisc  and  proteoliposome-­
reconstituted  components  for  detailed  kinetic,  biochemical,  and  interaction  studies.  This  info...

## Key facts

- **NIH application ID:** 9824559
- **Project number:** 5R01GM101001-08
- **Recipient organization:** UNIVERSITY OF VIRGINIA
- **Principal Investigator:** Jochen Zimmer
- **Activity code:** R01 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2020
- **Award amount:** $547,260
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2012-05-05 → 2021-11-30

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/9824559

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 9824559, Mechanism of Cellulose Synthesis and Transport Across Biological Membranes (5R01GM101001-08). Retrieved via AI Analytics 2026-05-24 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/9824559. Licensed CC0.

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*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*