Abstract With an ever-increasing amount of (meta)genomic data being deposited in sequence databases, (meta)genome mining for natural product biosynthetic pathways occupies a critical role in the discovery of novel pharmaceutical drugs, crop protection agents and biomaterials. The genes that encode these pathways are often organised into biosynthetic gene clusters (BGCs). In 2015, we defined the Minimum Information about a Biosynthetic Gene cluster (MIBiG): a standardised data format that describes the minimally required information to uniquely characterise a BGC. We simultaneously constructed an accompanying online database of BGCs, which has since been widely used by the community as a reference dataset for BGCs and was expanded to 2021 entries in 2019 (MIBiG 2.0). Here, we describe MIBiG 3.0, a database update comprising large-scale validation and re-annotation of existing entries and 661 new entries. Particular attention was paid to the annotation of compound structures and biological activities, as well as protein domain selectivities. Together, these new features keep the database up-to-date, and will provide new opportunities for the scientific community to use its freely available data, e.g. for the training of new machine learning models to predict sequence-structure-function relationships for diverse natural products. MIBiG 3.0 is accessible online at https://mibig.secondarymetabolites.org/.

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 Microbial competition for trace metals shapes their communities and interactions with humans and plants. Many bacteria scavenge trace metals with metallophores, small molecules that chelate environmental metal ions and transport them back into the cell. Our incomplete knowledge of metallophores diversity stymies our ability to fight infectious diseases and harness beneficial microbiome interactions. The majority of known metallophores are non-ribosomal peptides (NRPs), which feature metal-chelating moieties rarely found in other classes of natural products. NRP metallophore production may be predicted by genome mining, where genomes are scanned for homologs of known biosynthetic gene clusters (BGCs). However, accurately detecting NRP metallophore biosynthesis currently requires expert manual inspection. Here, we introduce automated identification of NRP metallophore BGCs through a comprehensive detection algorithm, newly implemented in antiSMASH. Custom-designed profile hidden Markov models detect genes encoding the biosynthesis of most known NRP metallophore chelating moieties (2,3-dihydroxybenzoate, hydroxamates, salicylate, β-hydroxyamino acids, graminine, Dmaq, and the pyoverdine chromophore), achieving 97% precision and 78% recall against manual curation. We leveraged the algorithm, in combination with transporter gene detection, to detect NRP metallophore BGCs in 15,562 representative bacterial genomes and predict that 25% of all non-ribosomal peptide synthetases encode metallophore production. BiG-SCAPE clustering of 2,562 NRP metallophore BGCs revealed that significant diversity remains unexplored, including new combinations of chelating groups. Additionally, we find that Cyanobacteria are severely understudied and should be the focus of more metallophore isolation efforts. The inclusion of NRP metallophore detection in antiSMASH version 7 will aid non-expert researchers and facilitate large-scale investigations into metallophore biology.

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. Previous work has elucidated the structures and biosynthetic machinery of metallophores specific for iron, zinc, nickel, molybdenum, and copper. No physiologically relevant lanthanide-binding 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. Here, we report the biosynthetic machinery, the structure, and the physiological relevance of a 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

ABSTRACT Bacteria produce a plethora of natural products that are in clinical, agricultural and biotechnological use. Genome mining revealed millions of biosynthetic gene clusters (BGCs) that encode their biosynthesis, and the major challenge is to predict the bioactivities of the molecules these BGCs specify, and how to elicit their expression. Here, we present an innovative strategy whereby we harness the power of regulatory networks combined with global gene expression patterns to predict BGC functions. Studying the regulon of iron master regulator DmdR1 in Streptomyces coelicolor combined with co-expression data and large-scale comparative genome analysis identified the novel desJGH gene cluster. Mutational and metabolomics analysis showed that desJGH is required for biosynthesis of the clinical drug desferrioxamine B. DesJGH thereby dictate the balance between the structurally distinct desferrioxamines B and E. We propose regulation-based genome mining as a promising approach to functionally prioritize BGCs to accelerate the discovery of novel bioactive molecules.

Abstract Ingestion of the cycad toxins β-methylamino-L-alanine (BMAA) and azoxyglycosides is harmful to diverse organisms. However, some insects are specialized to feed on toxin-rich cycads with apparent immunity. Some cycad-feeding insects possess a common set of gut bacteria, which might play a role in detoxifying cycad toxins. Here, we investigated the composition of gut microbiota from a worldwide sample of cycadivorous insects and characterized the biosynthetic potential of bacteria isolated as putative keystone taxa. Cycadivorous insects shared a core gut microbiome consisting of six bacterial taxa, mainly belonging to the Proteobacteria, which we were able to isolate. To further investigate these potential keystone taxa from diverging lineages, we performed shotgun metagenomic sequencing of co-cultured bacterial sub-communities. We postulate and characterize four putative keystone bacteria from Serratia, Pantoea , and two different Stenotrophomonas lineages. The biosynthetic potential of these microorganisms includes a suite of biosynthetic gene clusters notably rich in siderophores and carotenoid-like aryl polyene pathways. Siderophore semi-untargeted metabolomics revealed a broad range of chemically related yet diverse iron-chelating metabolites, indicating a complex evolutionary landscape in which siderophores may have converged within the guts of cycadivorous insects. Among these, we provide evidence of the occurrence of an unprecedent desferrioxamine-like biosynthetic pathway that remains to be identified. These results provide a foundation for future investigations into how cycadivorous insects tolerate diets rich in azoxyglycosides, BMAA, and other cycad toxins, and highlight convergent evolution underlying chemical diversity.