ABSTRACT Many bacteria secrete metallophores, low-molecular weight organic compounds that bind ions with high selectivity and affinity, in order to access essential metals from the environment. 1 Previous work has elucidated the structures and biosynthetic machinery of metallophores specific for iron, zinc, nickel, molybdenum, and copper. 1 No lanthanide-specific metallophore has been discovered despite the knowledge that lanthanide metals (Ln) have been revealed to be essential cofactors for certain alcohol dehydrogenases across a diverse range of phyla. 2 Here, we report the biosynthetic machinery, the structure, and the physiological relevance of the first known lanthanophore, methylolanthanin. The structure of methylolanthanin exhibits a unique 4-hydroxybenzoate moiety which has not previously been described in other metallophores. We find that production of methylolanthanin is required for normal levels of Ln accumulation in the methylotrophic bacterium Methylobacterium extorquens AM1, while overexpression of the molecule greatly increases bioaccumulation. Our results provide a clearer understanding of how Ln-utilizing bacteria sense, scavenge, and store Ln; essential processes in the environment where Ln are poorly bioavailable. Beyond Ln, we anticipate our study to be a starting point for understanding how organisms acquire other f -block metals, the actinides. 3 More broadly, the discovery of a lanthanophore opens doors for study of how biosynthetic gene clusters are repurposed for new functions, how metallophores acquire their metal specificity, and the complex relationship between metal homeostasis and fitness.

Abstract Access to web-based platforms has enabled scientists to perform research remotely. A critical aspect of mass spectrometry data analysis is the inspection, analysis, and visualization of the raw data to validate data quality and confirm statistical observations. We developed the GNPS Dashboard, a web-based data visualization tool, to facilitate synchronous collaborative inspection, visualization, and analysis of private and public mass spectrometry data remotely.

ABSTRACT As our understanding of the structure and diversity of the microbial world grows, interpreting its function is of critical interest for understanding and managing the many systems microbes influence. Despite advances in sequencing, lack of standardization challenges comparisons among studies that could provide insight into the structure and function of microbial communities across multiple habitats on a planetary scale. Technical variation among distinct studies without proper standardization of approaches prevents robust meta-analysis. Here, we present a multi-omics, meta-analysis of a novel, diverse set of microbial community samples collected for the Earth Microbiome Project. We include amplicon (16S, 18S, ITS) and shotgun metagenomic sequence data, and untargeted metabolomics data (liquid chromatography-tandem mass spectrometry and gas chromatography mass spectrometry), centering our description on relationships and co-occurrences of microbially-related metabolites and microbial taxa across environments. Standardized protocols and analytical methods for characterizing microbial communities, including assessment of molecular diversity using untargeted metabolomics, facilitate identification of shared microbial and metabolite features, permitting us to explore diversity at extraordinary scale. In addition to a reference database for metagenomic and metabolomic data, we provide a framework for incorporating additional studies, enabling the expansion of existing knowledge in the form of a community resource that will become more valuable with time. To provide examples of applying this database, we outline important ecological questions that can be addressed, and test the hypotheses that every microbe and metabolite is everywhere, but the environment selects. Our results show that metabolite diversity exhibits turnover and nestedness related to both microbial communities and the environment. The relative abundances of microbially-related metabolites vary and co-occur with specific microbial consortia in a habitat-specific manner, and highlight the power of certain chemistry – in particular terpenoids – in distinguishing Earth’s environments.

Abstract The identity and biological activity of most metabolites still remain unknown. A key bottleneck in the full exploration of this tremendous source of new structures and pharmaceutical activities is the compound purification needed for bioactivity assignments of individual compounds and downstream structure elucidation. To enable bioactivity-focused compound identification from complex mixtures, we developed a scalable native metabolomics approach that integrates non-targeted liquid chromatography tandem mass spectrometry, and simultaneous detection of protein binding via native mass spectrometry. While screening for new protease inhibitors from an environmental cyanobacteria community, native metabolomics revealed 30 cyclodepsipeptides as chymotrypsin binders. Mass spectrometry-guided purification then allowed for the full structure elucidation of four new specialized metabolites via tandem mass spectrometry, chemical derivatization, and nuclear magnetic resonance spectroscopy. Together with the evaluation of biological activities, our results identified the rivulariapeptolides as a family of serine protease inhibitors with nanomolar potency, highlighting native metabolomics as promising approach for drug discovery, chemical ecology, and chemical biology studies.

Snake venom variations are a crucial factor to understand the consequences of snakebite envenoming worldwide, and therefore it is important to know about toxin composition alterations between taxa. Palearctic vipers of the genera Vipera, Montivipera, Macrovipera, and Daboia have high medical impacts across the Old World. One hotspot for their occurrence and diversity is Türkiye, located on the border between continents, but many of their venoms remain still understudied. Here, we present the venom compositions of seven Turkish viper taxa. By complementary mass spectrometry-based bottom-up and top-down workflows, the venom profiles were investigated on proteomics and peptidomics level. This study includes the first venom descriptions of Vipera berus barani, Vipera darevskii, Montivipera bulgardaghica albizona, and Montivipera xanthina, as well as the first snake venomics profiles of Turkish Macrovipera lebetinus obtusa, and Daboia palaestinae, including an in-depth reanalysis of M. bulgardaghica bulgardaghica venom. Additionally, we identified the modular consensus sequence pEXW(PZ)1–2P(EI)/(KV)PPLE for bradykinin-potentiating peptides in viper venoms. For better insights into variations and potential impacts of medical significance, the venoms were compared against other Palearctic viper proteomes, including the first genus-wide Montivipera venom comparison. This will help the risk assessment of snakebite envenoming by these vipers and aid in predicting the venoms' pathophysiology and clinical treatments.

Dissolved organic matter (DOM) is ubiquitous in aquatic ecosystems and fundamental for planetary processes and ecosystem functioning. While the link between microbial community composition and heterotrophic utilization of DOM has been recognized, the full diversity of organic compounds, their bioavailability, degradability and specific influences on the diversity and function of heterotrophs are still not clear. Here we experimentally investigate heterotrophic bacteria in thirty-three freshwater model communities. We identified 34 different heterotrophs growing in ambient lake DOM with taxonomic affiliations matching abundant freshwater bacterioplankton. We further describe 25 different heterotrophs growing in the phycosphere of M. Aeruginosa and 6 heterotrophs growing on the DOM produced by M. Aeruginosa with taxonomic affiliation in accord to phycosphere heterotrophs. In our experiment we observed that heterotrophs that live in the phycosphere remove more dissolved organic carbon than abundant freshwater heterotrophs. Moreover, phycosphere heterotrophs have bigger genomes than abundant lake bacteria. Altogether of the 4224 chemical features that were resolved by LC-MS, only 1229 were seen in all three treatments. None of the common/shared compounds were removed across all the model communities, suggesting contrasting niches of the studied taxa. Altogether our study highlights how each model community, with its unique taxonomic assemblages and organotroph functioning is upkept by the chemodiversity of DOM.

Abstract A tightly coordinated developmental program controls precise genetic and metabolic reprogramming that dictates efficient transition of the seeds from dormancy to metabolically active seedlings. Beneficial microbes are known to stimulate the germination of the seeds or adaptation of the seedlings; however, investigations of exact mechanisms mediating these interactions and the resulting physiological responses of the plants are only beginning. Bacillus subtilis is commonly detected in the plant holobiont and belongs to the group of microbes that provide multifaceted contribution to the health of the plants. The present study demonstrated that B. subtilis triggered genetic and physiological responses in the seeds that determined subsequent metabolic and developmental status of adult plants. Chemically diverse extracellular matrix of Bacillus was demonstrated to structurally cooperate in bacterial colonization of the seed storage tissues. Additionally, an amyloid protein and fengycin, which are two components of the extracellular matrix, targeted the oil bodies of the seed endosperm, provoking changes in lipid metabolism or accumulation of glutathione-related molecules that stimulated two different plant growth programs: the development of seed radicles or overgrowth and immunization of adult plants. We propose this mutualistic interaction is conserved in Bacilli and plant seeds containing storage oil bodies.

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.

Untargeted tandem mass spectrometry (MS/MS) has become a high-throughput method to measure small molecules in complex samples. One key goal is the transformation of these MS/MS spectra into chemical structures. Computational techniques such as MS/MS library search have enabled the reidentification of known compounds. Analog library search and molecular networking extend this identification to unknown compounds. While there have been advancements in metrics for the similarity of MS/MS spectra of structurally similar compounds, there is still a lack of automated methods to provide site specific information about structural modifications. Here we introduce ModiFinder which leverages the alignment of peaks in MS/MS spectra between structurally related known and unknown small molecules. Specifically, ModiFinder focuses on shifted MS/MS fragment peaks in the MS/MS alignment. These shifted peaks putatively represent substructures of the known molecule that contain the site of the modification. ModiFinder synthesizes this information together and scores the likelihood for each atom in the known molecule to be the modification site. We demonstrate in this manuscript how ModiFinder can effectively localize modifications which extends the capabilities of MS/MS analog searching and molecular networking to accelerate the discovery of novel compounds.

ABSTRACT Snake venom variations are a crucial factor to understand the consequences of snakebite envenoming worldwide and therefore it’s important to know about toxin composition alterations between taxa. Palearctic vipers of the genera Vipera , Montivipera , Macrovipera and Daboia have high medical impacts across the Old World. One hotspot for their occurrence and diversity is Türkiye on the border between the continents, but many of their venoms remain still understudied. Here, we present the venom compositions of seven Turkish viper taxa. By complementary mass spectrometry-based bottom-up and top-down workflows, the venom profiles were investigated on proteomics and peptidomics level. This study includes the first venom descriptions of Vipera berus barani , Vipera darevskii , Montivipera bulgardaghica albizona and Montivipera xanthina , as well as first snake venomics profiles of Turkish Macrovipera lebetinus obtusa and Daboia palaestinae , including an in-depth reanalysis of Montivipera bulgardaghica bulgardaghica venom. Additionally, we identified the modular consensus sequence pEXW(PZ 1– 2P (EI)/(KV)PPLE for bradykinin-potentiating peptides (BPP) in viper venoms. For better insights into variations and potential impacts of medical significance the venoms were compared against other Palearctic viper proteomes, including the first genus-wide Montivipera venom comparison. This will help the risk assessment of snakebite envenoming by these vipers and aid in predicting the venoms pathophysiology and clinical treatments.