Estimating bacterial growth dynamics The pattern of sequencing read coverage of bacteria in metagenomic samples reflects the growth rate. This pattern is predictive of growth because bacterial genomes are circular, with a single origin of replication. So during growth, copies of the genome accumulate at the origin. Korem et al. use the ratio of copy number at the origin to the copy number at the terminus to detect the actively growing species in a microbiome (see the Perspective by Segre). They could spot the difference between virulent and avirulent strains, population diurnal oscillations, species that are growing in irritable bowel disease, and what happens when a host's diet changes. Results were consistent in chemostats, in mice, and in human fecal samples. Science , this issue p. 1101 ; see also p. 1058

The living world is largely divided into autotrophs that convert CO2 into biomass and heterotrophs that consume organic compounds. In spite of widespread interest in renewable energy storage and more sustainable food production, the engineering of industrially relevant heterotrophic model organisms to use CO2 as their sole carbon source has so far remained an outstanding challenge. Here, we report the achievement of this transformation on laboratory timescales. We constructed and evolved Escherichia coli to produce all its biomass carbon from CO2. Reducing power and energy, but not carbon, are supplied via the one-carbon molecule formate, which can be produced electrochemically. Rubisco and phosphoribulokinase were co-expressed with formate dehydrogenase to enable CO2 fixation and reduction via the Calvin-Benson-Bassham cycle. Autotrophic growth was achieved following several months of continuous laboratory evolution in a chemostat under intensifying organic carbon limitation and confirmed via isotopic labeling.

We developed a new DNA microarray-based technology, called protein binding microarrays (PBMs), that allows rapid, high-throughput characterization of the in vitro DNA binding–site sequence specificities of transcription factors in a single day. Using PBMs, we identified the DNA binding–site sequence specificities of the yeast transcription factors Abf1, Rap1 and Mig1. Comparison of these proteins' in vitro binding sites with their in vivo binding sites indicates that PBM-derived sequence specificities can accurately reflect in vivo DNA sequence specificities. In addition to previously identified targets, Abf1, Rap1 and Mig1 bound to 107, 90 and 75 putative new target intergenic regions, respectively, many of which were upstream of previously uncharacterized open reading frames. Comparative sequence analysis indicated that many of these newly identified sites are highly conserved across five sequenced sensu stricto yeast species and, therefore, are probably functional in vivo binding sites that may be used in a condition-specific manner. Similar PBM experiments should be useful in identifying new cis regulatory elements and transcriptional regulatory networks in various genomes.

The economy of protein production is central to cell physiology, being intimately linked with cell division rate and cell size. Attempts to model cellular physiology are limited by the scarcity of experimental data defining the molecular processes limiting protein expression. Here, we distinguish the relative contribution of gene transcription and protein translation to the slower proliferation of budding yeast producing excess levels of unneeded proteins. In contrast to widely held assumptions, rapidly growing cells are not universally limited by ribosome content. Rather, transcription dominates cost under some conditions (e.g., low phosphate), translation in others (e.g., low nitrogen), and both in other conditions (e.g., rich media). Furthermore, cells adapted to enforced protein production by becoming larger and increasing their endogenous protein levels, suggesting limited competition for common resources. We propose that rapidly growing cells do not exhaust their resources to maximize growth but maintain sufficient reserves to accommodate changing requirements.

Abstract The mycobiota are a critical part of the gut microbiome, but host-fungal interactions and specific functional contributions of commensal fungi to host fitness remain incompletely understood. Here we report the identification of a new fungal commensal, Kazachstania heterogenica var. weizmannii, isolated from murine intestines. K. weizmannii exposure prevented Candida albicans colonization and significantly reduced the commensal C. albicans burden in colonized animals. Following immunosuppression of C. albicans colonized mice, competitive fungal commensalism thereby mitigated fatal candidiasis. Metagenome analysis revealed K. weizmannii presence among human commensals. Our results reveal competitive fungal commensalism within the intestinal microbiota, independent of bacteria and immune responses, that could bear potential therapeutic value for the management of C. albicans -mediated diseases.

The merging of genomes in inter-specific hybrids can result in novel phenotypes, including increased growth rate and biomass yield, a phenomenon known as heterosis. We describe a budding yeast hybrid that grows faster than its parents under different environments. Phenotypically, the hybrid progresses more rapidly through cell cycle checkpoints, relieves the repression of respiration in fast growing conditions, does not slow down its growth when presented with ethanol stress, and shows increasing signs of DNA damage. A systematic genetic screen identified hundreds of alleles affecting hybrid growth whose identity vastly differed between the hybrid and its parent and between growth conditions. This large-scale rewiring of allele effects suggests that despite showing clear heterosis, the hybrid is perturbed in multiple regulatory processes. We discuss the possibility that incompatibilities contribute to hybrid vigor by perturbing safeguard mechanisms that limit growth in the parental background.

Abstract Cellular lineage tracking provides a means to observe population makeup at the clonal level, allowing exploration of heterogeneity, evolutionary and developmental processes and individual clones’ relative fitness. It has thus contributed significantly to understanding microbial evolution, organ differentiation and cancer heterogeneity, among others. Its use, however, is limited because existing methods are highly specific, expensive, labour-intensive, and, critically, do not allow the repetition of experiments. To address these issues, we developed gUMI-BEAR (genomic Unique Molecular Identifier Barcoded Enriched Associated Regions), a modular, cost-effective method for tracking populations at high resolution. We first demonstrate the system’s application and resolution by applying it to track tens of thousands of Saccharomyces cerevisiae lineages growing together under varying environmental conditions applied across multiple generations, revealing fitness differences and lineage-specific adaptations. Then, we demonstrate how gUMI-BEAR can be used to perform parallel screening of a huge number of randomly generated variants of the Hsp82 gene. We further show how our method allows isolation of variants, even if their frequency in the population is low, thus enabling unsupervised identification of modifications that lead to a behaviour of interest.

Abstract Synthetic autotrophy is a promising avenue to sustainable bioproduction from CO 2 . Here, we use iterative laboratory evolution to generate genetically diverse autotrophic strains. We identify that just three mutations are sufficient for E. coli to grow autotrophically, when introduced alongside non-native energy (formate dehydrogenase) and carbon-fixing (Rubisco, phosphoribulokinase, carbonic anhydrase) modules. The mutated genes are involved in glycolysis ( pgi ), central-carbon regulation ( crp ), and RNA transcription ( rpoB ). The pgi mutation reduces the enzyme activity, thereby stabilising the carbon-fixing cycle by capping a major branching flux. The other two mutations increase the ratio of NADH/NAD + - the cycle’s electron-donor. This study demonstrates the malleability of metabolism and evolution’s capacity to switch trophic modes on laboratory time-scales and could facilitate transforming other heterotrophic organisms into autotrophs.

There is a strong need to develop technologies that reduce greenhouse gas emissions. Recently, progress was made in engineering the model organism E. coli to grow using CO2 and formate as its only carbon and energy sources using the reductive glycine pathway (rGlyP). Here, we use this engineered strain of E. coli as a host system for the production of polyhydroxybutyrate (PHB), a biologically derived and biodegradable plastic. We confirmed the production of PHB in this strain using Nile red fluorescent microscopy, transmission electron microscopy and GC measurements. Since formate can be efficiently generated from CO2 via electricity, this study serves as a proof of concept for the emerging field of electro-bioproduction and opens a new avenue for the production of carbon-neutral chemicals.