Abstract Directed evolution has been used for decades to engineer biological systems from the top-down. Generally, it has been applied at or below the organismal level, by iteratively sampling the mutational landscape in a guided search for genetic variants of higher function. Above the organismal level, a small number of studies have attempted to artificially select microbial communities and ecosystems, with uneven and generally modest success. Our theoretical understanding of artificial ecosystem selection is still limited, particularly for large assemblages of asexual organisms, and we know little about designing efficient methods to direct their evolution. To address this issue, we have developed a flexible modeling framework that allows us to systematically probe any arbitrary selection strategy on any arbitrary set of communities and selected functions, in a wide range of ecological conditions. By artificially selecting hundreds of in-silico microbial metacommunities under identical conditions, we examine the fundamental limits of the two main breeding methods used so far, and prescribe modifications that significantly increase their power. We identify a range of directed evolution strategies that, particularly when applied in combination, are better suited for the top-down engineering of large, diverse, and stable microbial consortia. Our results emphasize that directed evolution allows an ecological structure-function landscape to be navigated in search for dynamically stable and ecologically and functionally resilient high-functioning communities.

Living systems exhibit an unmatched complexity, due to countless, entangled interactions across scales. Here we aim to understand a complex system, i.e. segmentation timing in mouse embryos, without a reference to these detailed interactions. To this end, we develop a coarse-grained approach, in which theory guides the experimental identification of the segmentation clock entrainment responses. We demonstrate period- and phase-locking of the segmentation clock across a wide range of entrainment parameters, including higher-order coupling. These quantifications allow to derive the phase response curve (PRC) and Arnold tongues of the segmentation clock, revealing its essential dynamical properties. Our results indicate that the somite segmentation clock has characteristics reminiscent of a highly non-linear oscillator close to an infinite period bifurcation and suggests the presence of long-term feedbacks. Combined, this coarse-grained theoretical-experimental approach reveals how we can derive simple, essential features of a highly complex dynamical system, providing precise experimental control over the pace and rhythm of the somite segmentation clock.

In Hydra, head formation depends on Wnt/β-catenin signaling, which positively regulates Sp5 and Zic4, with Sp5 limiting Wnt3/β-catenin expression and Zic4 triggering tentacle formation. Using transgenic lines in which the HySp5 promoter drives eGFP expression in the epidermis or gastrodermis, we show that in intact animals, epidermal HySp5:GFP is expressed strongly apically and weakly along the body column, while gastrodermal HySp5:GFP is also maximally expressed apically but absent from the oral region, and remains high along the upper body column. During apical regeneration, gastrodermal HySp5:GFP appears early and diffusely, epidermal HySp5:GFP later. Upon alsterpaullone treatment, apical HySp5:GFP expression is shifted to the body column where epidermal HySp5:GFP transiently forms ectopic circular figures. After β-catenin(RNAi), only epidermal HySp5:GFP is down-regulated, while pseudo-bud structures expressing gastrodermal HySp5:GFP develop. Sp5(RNAi) highlights the negative autoregulation of Sp5 in epidermis, involving direct binding of Sp5 to its own promoter as observed in human HEK293T cells. In these cells, HyZic4, which can interact with huTCF1, regulates Wnt3 negatively and Sp5 positively. This differential regulation of the Wnt/β-catenin/TCF/Sp5/Zic4 network in epidermis and gastrodermis highlights distinct architectures and patterning roles in the hypostome, tentacle and body column, as well as distinct regulations in homeostatic and developmental organizers.

Twin-tail ornamental goldfish have a bifurcated caudal fin with a morphology that is extremely diverged from the conventional body plan of the vertebrates. Here, we investigate the musculoskeletal histology of this bifurcated caudal fin. From some of the investigated twin-tail goldfish, we found a twin-tail goldfish specific muscle (hereafter referred to as the “medial caudal muscle”) between left and right bifurcated caudal fin skeletons. Our immunohistochemical analyses revealed that the medial caudal muscle showed mediolaterally biased distribution patterns of the slow and fast muscle fibers. Similar distribution patterns were also commonly observed in several deep muscles of wild-type goldfish as well as zebrafish, suggesting that these fishes share the same molecular developmental mechanisms even though their morphologies are highly diverged. These findings provide empirical evidence to consider how the histological features of a newly emerged morphology are influenced by pre-existing highly conserved developmental mechanisms. This manuscript is here published as a living communication (as described in Gnaiger, 2021). The authors intend to share findings when they are available, encourage feedback and discussion, and invite knowledge exchange.

Abstract The molecular mechanisms that maintain cell identities and prevent transdifferentiation remain mysterious. Interestingly, both dedifferentiation and transdifferentiation are transiently reshuffled during regeneration. Therefore, organisms that regenerate readily offer a fruitful paradigm to investigate the regulation of cell fate stability. Here, we used Hydra as a model system and show that Zic4 silencing is sufficient to induce transdifferentiation of tentacle into foot cells. We identified a Wnt-controlled Gene Regulatory Network that controls a transcriptional switch of cell identity. Furthermore, we show that this switch also controls the re-entry into the cell cycle. Our data indicate that maintenance of cell fate by a Wnt-controlled GRN is a key mechanism during both homeostasis and regeneration. One-Sentence Summary A Wnt-controlled GRN controls fate maintenance in Hydra .

Rhythms play an important role in the precise spatiotemporal regulation of biological processes during development and patterning of embryos. We here investigate the rhythmic contractions of the yolk during early development of the goldfish Carassius auratus. We quantify these contractions and record robust and persistent rhythmic yolk movements that are not seen in closely-related species (carp and zebrafish). We report that yolk contractions are an intrinsic emergent property of the egg, i.e. goldfish eggs are independently irritable / excitable. These contractions do not require sperm entry / fertilization nor cell division, and they notably emerge at a precise time – suggesting that goldfish eggs are able to measure elapsed time from what we infer to be egg activation. As the yolk itself is known to confer critical cues for early dorsoventral (DV) patterning of teleost embryos, we hypothesize that its contractions in goldfish may influence the patterning process of this species. Indeed, we find that embryos in conditions that result in ventralized phenotypes (i.e. goldfish embryos acutely treated with microtubule-depolymerizing drug nocodazole and embryos of the twin-tail goldfish strain Oranda) display altered yolk contraction dynamics (i.e. faster and/or stronger contractions). We aim to uncover whether the yolk contractions happening during early development of domesticated goldfish are the licensing process which explain the variety of novel DV patterning phenotypes naturally-observed in this species (e.g. twin-tail and dorsal-finless strains) and which are instead not found among closely-related species (e.g. carp) whose yolks do not contract. This manuscript is here published as a living communication (as described in Gnaiger (2021)). The authors intend to share findings when they are available, encourage feedback and discussion, and invite knowledge exchange and collaboration.

Hydra head formation depends on an organizing center in which Wnt/β-catenin signaling, that plays an inductive role, positively regulates Sp5 and Zic4, with Sp5 limiting Wnt3/β-catenin expression and Zic4 triggering tentacle formation. Using transgenic lines in which the HySp5 promoter drives eGFP expression in either the epidermis or gastrodermis, we show that Sp5 promoter activity is differentially regulated in each epithelial layer. In intact animals, epidermal HySp5:GFP activity is strong apically and weak along the body column, while in the gastrodermis, it is maximal in the tentacle ring region and maintained at a high level along the upper body column. During apical regeneration, HySp5:GFP is activated early in the gastrodermis and later in the epidermis. Alsterpaullone treatment induces a shift in apical HySp5:GFP expression towards the body column where it forms transient circular figures in the epidermis. Upon β-catenin(RNAi), HySp5:GFP activity is down-regulated in the epidermis while bud-like structures expressing HySp5:GFP in the gastrodermis develop. Sp5(RNAi) reveals a negative Sp5 autoregulation in the epidermis, but not in the gastrodermis. These differential regulations in the epidermis and gastrodermis highlight the distinct architectures of the Wnt/β-catenin/TCF/Sp5/Zic4 network in the hypostome, tentacle base and body column of intact animals, as well as in the buds and apical and basal regenerating tips.

The question of how metabolism impacts development is seeing a renaissance. How metabolism exerts instructive signaling functions is one of the central issues that need to be resolved. We tackled this question in the context of mouse embryonic axis segmentation. Previous studies have shown that changes in central carbon metabolism impact Wnt signaling and the period of the segmentation clock, which controls the timing of axis segmentation. Here, we reveal that glycolysis tunes the segmentation clock period in an anti-correlated manner: higher glycolytic flux slows down the clock, and vice versa. Transcriptome and gene regulatory network analyses identified Wnt signaling and specifically the transcription factor Tcf7l2, previously associated with increased risk for diabetes, as potential mechanisms underlying flux-dependent control of the clock period. Critically, we show that deletion of the Wnt antagonist Dkk1 rescued the slow segmentation clock phenotype caused by increased glycolysis, demonstrating that glycolysis instructs Wnt signaling to control the clock period. In addition, we demonstrate metabolic entrainment of the segmentation clock: periodic changes in the levels of glucose or glycolytic sentinel metabolite fructose 1,6-bisphosphate (FBP) synchronize signaling oscillations. Notably, periodic FBP pulses first entrained Wnt signaling oscillations and subsequently Notch signaling oscillations. We hence conclude that metabolic entrainment has an immediate, specific effect on Wnt signaling. Combined, our work identifies a glycolysis-FBP-Wnt signaling axis that tunes developmental timing, highlighting the instructive signaling role of metabolism in embryonic development.