Abstract The Antarctic marine ecosystem harbors a wealth of biological and chemical innovation that has risen in concert over millennia since the isolation of the continent and formation of the Antarctic circumpolar current. Scientific inquiry into the novelty of marine natural products produced by Antarctic benthic invertebrates led to the discovery of a bioactive macrolide, palmerolide A, that has specific activity against melanoma and holds considerable promise as an anticancer therapeutic. While this compound was isolated from the Antarctic ascidian Synoicum adareanum , its biosynthesis has since been hypothesized to be microbially mediated, given structural similarities to microbially-produced hybrid non-ribosomal peptide-polyketide macrolides. Here, we describe a metagenome-enabled investigation aimed at identifying the biosynthetic gene cluster (BGC) and palmerolide A-producing organism. A 74 Kbp candidate BGC encoding the multi-modular enzymatic machinery (hybrid Type I- trans -AT polyketide synthase-non-ribosomal peptide synthetase and tailoring functional domains) was identified and found to harbor key features predicted as necessary for palmerolide A biosynthesis. Surveys of ascidian microbiome samples targeting the candidate BGC revealed a high correlation between palmerolide-gene targets and a single 16S rRNA gene variant (R=0.83 – 0.99). Through repeated rounds of metagenome sequencing followed by binning contigs into metagenome-assembled genomes, we were able to retrieve a near-complete genome (10 contigs) of the BGC-producing organism, a novel verrucomicrobium within the Opitutaceae family that we propose here as Candidatus Synoicihabitans palmerolidicus. The refined genome assembly harbors five highly similar BGC copies, along with structural and functional features that shed light on the host-associated nature of this unique bacterium. Importance Palmerolide A has potential as a chemotherapeutic agent to target melanoma. We interrogated the microbiome of the Antarctic ascidian, Synoicum adareanum , using a cultivation-independent high-throughput sequencing and bioinformatic strategy. The metagenome-encoded biosynthetic machinery predicted to produce palmerolide A was found to be associated with the genome of a member of the S. adareanum core microbiome. Phylogenomic analysis suggests the organism represents a new deeply-branching genus, Candidatus Synoicihabitans palmerolidicus, in the Opitutaceae family of the Verrucomicrobia phylum. The Ca . S. palmerolidicus 4.29 Mb genome encodes a repertoire of carbohydrate-utilizing and transport pathways enabling its ascidian-associated lifestyle. The palmerolide-producer’s genome also contains five distinct copies of the large palmerolide biosynthetic gene cluster that may provide structural complexity of palmerolide variants.

Abstract Polar marine ecosystems hold the potential for bioactive compound biodiscovery, based on their untapped macro- and microorganismal diversity. Characterization of polar benthic marine invertebrate-associated microbiomes is limited to few studies. This study was motivated by our interest in better understanding the microbiome structure and composition of the ascidian, Synoicum adareanum , in which the bioactive macrolide that has specific activity to melanoma, palmerolide A (PalA), was found. PalA bears structural resemblance to a combined nonribosomal peptide polyketide, that has similarities to microbially-produced macrolides. We conducted a spatial survey to assess both PalA levels and microbiome composition in S. adareanum in a region of the Antarctic Peninsula near Anvers Island (64° 46'S, 64° 03'W). PalA was ubiquitous and abundant across a collection of 21 ascidians (3 subsamples each) sampled from seven sites across the Anvers Island archipelago. The microbiome composition (V3-V4 16S rRNA gene sequence variants) of these 63 samples revealed a core suite of 21 bacteria, 20 of which were distinct from regional bacterioplankton. Co-occurrence analysis yielded several potentially interacting subsystems and, although the levels of PalA detected were not found to correlate with specific sequence variants, the core members appeared to occur in a preferred optimum and tolerance range of PalA levels. Taking these results together with an analysis of biosynthetic potential of related microbiome taxa indicates a core microbiome with substantial promise for natural product biosynthesis that likely interact with the host and with each other.

Metals are important cofactors in the metabolic processes of cyanobacteria, including photosynthesis, cellular respiration, DNA replication, and the biosynthesis of primary and secondary metabolites. In adaptation to the marine environment, cyanobacteria use metallophores to acquire trace metals when necessary as well as to reduce potential toxicity from excessive metal concentrations. Leptochelins A–C were identified as structurally novel metallophores from three geographically dispersed cyanobacteria of the genus Leptothoe. Determination of the complex structures of these metabolites presented numerous challenges, but they were ultimately solved using integrated data from NMR, mass spectrometry and deductions from the biosynthetic gene cluster. The leptochelins are comprised of halogenated linear NRPS-PKS hybrid products with multiple heterocycles that have potential for hexadentate and tetradentate coordination with metal ions. The genomes of the three leptochelin producers were sequenced, and retrobiosynthetic analysis revealed one candidate biosynthetic gene cluster (BGC) consistent with the structure of leptochelin. The putative BGC is highly homologous in all three Leptothoe strains, and all possess genetic signatures associated with metallophores. Postcolumn infusion of metals using an LC-MS metabolomics workflow performed with leptochelins A and B revealed promiscuous binding of iron, copper, cobalt, and zinc, with greatest preference for copper. Iron depletion and copper toxicity experiments support the hypothesis that leptochelin metallophores may play key ecological roles in iron acquisition and in copper detoxification. In addition, the leptochelins possess significant cytotoxicity against several cancer cell lines.

Abstract Complex interactions exist between microbiomes and their hosts. Increasingly, defensive metabolites that have been attributed to host biosynthetic capability are now being recognized as products of host-associated microbes. These unique metabolites often have bioactivity targets in human disease and can be purposed as pharmaceuticals. Polyketides are a complex family of natural products that often serve as defensive metabolites for competitive or pro-survival purposes for the producing organism, while demonstrating bioactivity in human diseases as cholesterol lowering agents, anti-infectives, and anti-tumor agents. Marine invertebrates and microbes are a rich source of polyketides. Palmerolide A, a polyketide isolated from the Antarctic ascidian Synoicum adareanum , is a vacuolar-ATPase inhibitor with potent bioactivity against melanoma cell lines. The biosynthetic gene clusters (BGCs) responsible for production of secondary metabolites are encoded in the genomes of the producers as discrete genomic elements. A candidate palmerolide BGC was identified from a S. adareanum microbiome-metagenome based on a high degree of congruence with a chemical structure-based retrobiosynthetic prediction. Protein family homology analysis, conserved domain searches, active site and motif identification were used to identify and propose the function of the ∼75 kb trans -acyltransferase (AT) polyketide synthase-non-ribosomal synthase (PKS-NRPS) domains responsible for the stepwise synthesis of palmerolide A. Though PKS systems often act in a predictable co-linear sequence, this BGC includes multiple trans -acting enzymatic domains, a non-canonical condensation termination domain, a bacterial luciferase-like monooxygenase (LLM), and is found in multiple copies within the metagenome-assembled genome (MAG). Detailed inspection of the five highly similar pal BGC copies suggests the potential for biosynthesis of other members of the palmerolide chemical family. This is the first delineation of a biosynthetic gene cluster from an Antarctic microbial species, recently proposed as Candidatus Synoicohabitans palmerolidicus. These findings have relevance for fundamental knowledge of PKS combinatorial biosynthesis and could enhance drug development efforts of palmerolide A through heterologous gene expression.

Kavaratamide A (1), a new linear lipodepsipeptide possessing an unusual isopropyl-O-methylpyrrolinone moiety, was discovered from the tropical marine filamentous cyanobacterium Moorena bouillonii collected from Kavaratti, India. A comparative chemogeographic analysis of M. bouillonii collected from six different geographical regions led to the prioritized isolation of this metabolite from India as distinctive among our data sets. AI-based structure annotation tools, including SMART 2.1 and DeepSAT, accelerated the structure elucidation by providing useful structural clues, and the full planar structure was elucidated based on comprehensive HRMS, MS/MS fragmentation, and NMR data interpretation. Subsequently, the absolute configuration of 1 was determined using advanced Marfey's analysis, modified Mosher's ester derivatization, and chiral-phase HPLC. The structures of kavaratamides B (2) and C (3) are proposed based on a detailed analysis of their MS/MS fragmentations. The biological activity of kavaratamide A was also investigated and found to show moderate cytotoxicity to the D283-medullablastoma cell line.

Abstract Despite the increasing availability of tandem mass spectrometry (MS/MS) community spectral libraries for untargeted metabolomics over the past decade, the majority of acquired MS/MS spectra remain uninterpreted. To further aid in interpreting unannotated spectra, we created a nearest neighbor suspect spectral library, consisting of 87,916 annotated MS/MS spectra derived from hundreds of millions of public MS/MS spectra. Annotations were propagated based on structural relationships to reference molecules using MS/MS-based spectrum alignment. We demonstrate the broad relevance of the nearest neighbor suspect spectral library through representative examples of propagation-based annotation of acylcarnitines, bacterial and plant natural products, and drug metabolism. Our results also highlight how the library can help to better understand an Alzheimer’s brain phenotype. The nearest neighbor suspect spectral library is openly available through the GNPS platform to help investigators hypothesize candidate structures for unknown MS/MS spectra in untargeted metabolomics data.

Abstract MicrobeMASST, a taxonomically-informed mass spectrometry (MS) search tool, tackles limited microbial metabolite annotation in untargeted metabolomics experiments. Leveraging a curated database of >60,000 microbial monocultures, users can search known and unknown MS/MS spectra and link them to their respective microbial producers via MS/MS fragmentation patterns. Identification of microbial-derived metabolites and relative producers, without a priori knowledge, will vastly enhance the understanding of microorganisms’ role in ecology and human health.

The tropical marine cyanobacterium Moorena producens JHB is a prolific source of secondary metabolites with potential biomedical utility. Previous studies of this strain led to the discovery of several novel compounds such as the hectochlorins and jamaicamides; however, bioinformatic analyses of its genome suggested that there were many more cryptic biosynthetic gene clusters yet to be characterized. To potentially stimulate the production of novel compounds from this strain, it was co-cultured with Candida albicans. From this experiment, we observed the increased production of a new compound that we characterize here as hectoramide B. Bioinformatic analysis of the M. producens JHB genome enabled the identification of a putative biosynthetic gene cluster responsible for hectoramide B biosynthesis. This work demonstrates that co-culture competition experiments can be a valuable method to facilitate the discovery of novel natural products from cyanobacteria.