Colistin is a last-resort antibiotic that is used to treat severe infections caused by MDR and extensively drug-resistant (XDR) bacteria. The World Health Organization (WHO) has designated colistin as a “highest priority critically important antimicrobial for human medicine” (WHO, Critically Important Antimicrobials for Human Medicine , 5th revision , 2017, https://www.who.int/foodsafety/publications/antimicrobials-fifth/en/ ), as it is often one of the only therapies available for treating serious bacterial infections in critically ill patients. Plasmid-borne mcr genes that confer resistance to colistin pose a threat to public health at an international scale, as they can be transmitted via horizontal gene transfer and have the potential to spread globally. Therefore, the establishment of a complete reference of mcr genes that can be used to screen for plasmid-mediated colistin resistance is essential for developing effective control strategies.

Natural microbial communities are phylogenetically and metabolically diverse. In addition to underexplored organismal groups1, this diversity encompasses a rich discovery potential for ecologically and biotechnologically relevant enzymes and biochemical compounds2,3. However, studying this diversity to identify genomic pathways for the synthesis of such compounds4 and assigning them to their respective hosts remains challenging. The biosynthetic potential of microorganisms in the open ocean remains largely uncharted owing to limitations in the analysis of genome-resolved data at the global scale. Here we investigated the diversity and novelty of biosynthetic gene clusters in the ocean by integrating around 10,000 microbial genomes from cultivated and single cells with more than 25,000 newly reconstructed draft genomes from more than 1,000 seawater samples. These efforts revealed approximately 40,000 putative mostly new biosynthetic gene clusters, several of which were found in previously unsuspected phylogenetic groups. Among these groups, we identified a lineage rich in biosynthetic gene clusters ('Candidatus Eudoremicrobiaceae') that belongs to an uncultivated bacterial phylum and includes some of the most biosynthetically diverse microorganisms in this environment. From these, we characterized the phospeptin and pythonamide pathways, revealing cases of unusual bioactive compound structure and enzymology, respectively. Together, this research demonstrates how microbiomics-driven strategies can enable the investigation of previously undescribed enzymes and natural products in underexplored microbial groups and environments.

Biosynthetic gene clusters (BGCs) are enticing targets for (meta)genomic mining efforts, as they may encode novel, specialized metabolites with potential uses in medicine and biotechnology. Here, we describe GECCO (GEne Cluster prediction with COnditional random fields; https://gecco.embl.de ), a high-precision, scalable method for identifying novel BGCs in (meta)genomic data using conditional random fields (CRFs). Based on an extensive evaluation of de novo BGC prediction, we found GECCO to be more accurate and over 3x faster than a state-of-the-art deep learning approach. When applied to over 12,000 genomes, GECCO identified nearly twice as many BGCs compared to a rule-based approach, while achieving higher accuracy than other machine learning approaches. Introspection of the GECCO CRF revealed that its predictions rely on protein domains with both known and novel associations to secondary metabolism. The method developed here represents a scalable, interpretable machine learning approach, which can identify BGCs de novo with high precision.

Summary Microbes are phylogenetically and metabolically diverse. Yet capturing this diversity, assigning functions to host organisms and exploring the biosynthetic potential in natural environments remains challenging. We reconstructed >25,000 draft genomes, including from >2,500 uncharacterized species, from globally-distributed ocean microbial communities, and combined them with ∼10,000 genomes from cultivated and single cells. Mining this resource revealed ∼40,000 putative biosynthetic gene clusters (BGCs), many from unknown phylogenetic groups. Among these, we discovered Candidatus Eudoremicrobiaceae as one of the most biosynthetically diverse microbes detected to date. Discrete transcriptional states structuring natural populations were associated with a potentially niche-partitioning role for BGC products. Together with the characterization of the first Eudoremicrobiaceae natural product, this study demonstrates how microbiomics enables prospecting for candidate bioactive compounds in underexplored microbes and environments.

Abstract Bacillus cereus group or B. cereus sensu lato (s.l.), is comprised of Gram-positive spore-forming, rod-like bacteria that are widespread in natural environments. Although the species in this group are known to be highly related in terms of phenotypic characteristics, they display different levels of pathogenicity. Biochemical assays are therefore considered to be insufficient for accurate taxonomic classification of B. cereus group species. To facilitate accurate taxonomic classification and associated prediction of pathogenic potential, we have conducted comparative genomic analyses of publicly available genome assemblies of B. cereus group isolates. Through that, we found that an isolate previously known as B. mycoides ATCC 21929 was sufficiently distant from valid and effective type strains to be considered a putative new species. We have conducted biochemical and bioinformatic characterization of strain ATCC 21929 that had been isolated from soil in Papua New Guinea. Strain ATCC 21929 most closely resembles B. paramycoides NH24A2 T , producing ANIb and DDH values of 86.70% and 34.1%, respectively. Phenotypically, isolate ATCC 21929 does not possess cytochrome c oxidase activity, and is able to grow at a range of temperatures 15°C - 43°C and at a range of pH 6 - 9. With regards to fatty acid composition, this isolate has iso-C17:0 in highest abundance. We propose the strain ATCC 21929 T (=PS00077A T = PS00077B T = PSU-0922 T = BHP T ) as a new species named Bacillus clarus sp. nov. to facilitate accurate taxonomic classification of B. cereus group isolates.

Abstract Mobilized colistin resistance genes ( mcr ) may confer resistance to colistin, a last-resort, critically important antimicrobial for human health. mcr can often be transmitted horizontally (e.g., via mobile genetic elements); however, mcr encode phosphoethanolamine transferases (PET) closely related to chromosomally encoded, intrinsic lipid modification enzymes (e.g., EptA, EptB, CptA). To explore the genetic diversity of mcr within the context of intrinsic lipid modification PET, we identified 9,836 non-redundant protein accession numbers associated with mcr -like genes, representing a total of 69,814 mcr -like genes present across 256 bacterial genera. We subsequently identified 125 unique, putative novel mcr -like genes encoded on the same contig as a plasmid replicon and other antimicrobial resistance genes. Sequence similarity and a maximum likelihood phylogeny of mcr , putative novel mcr -like genes, and intrinsic lipid modification PET-encoding genes indicated that sequence similarity is insufficient to discriminate between genes involved in colistin resistance and genes encoding intrinsic lipid modification PET. A mixed-effect model of evolution (MEME) indicated that site- and branch-specific diversifying positive selection might have played a role in the evolution of subvariants within the mcr-2 and mcr-9 families. MEME suggested that positive selection played a role in the diversification of several residues in structurally important regions, including (i) a bridging region that connects the membrane-bound and catalytic periplasmic domains, and (ii) a periplasmic loop juxtaposing the substrate entry tunnel. These residues were found to be differentially conserved in different mcr families and thus may play a role in mcr subvariant phenotypic diversity. Moreover, we found that eptA and mcr are localized within different genomic contexts. Canonical eptA are typically chromosomally encoded in an operon with a two-component regulatory system or adjacent to a TetR-type regulator. In contrast, mcr are encoded as single-gene operons or adjacent to pap2 and dgkA , which encode a PAP2 family lipid A phosphatase and diacylglycerol kinase, respectively. Our data suggest that eptA can give rise to “colistin resistance genes” through various mechanisms, including selection and diversification of the genomic context, regulatory pathways, and mobilization. These mechanisms likely altered gene expression levels and enzyme activity, allowing bona fide eptA to evolve to function in colistin resistance.

Abstract The gut microbiota influences human health and the development of chronic diseases. However, our understanding of potentially protective or harmful microbe-host interactions at the molecular level is still in its infancy. To gain further insights into the hidden gut metabolome and its impact, we identified a cryptic non-ribosomal peptide BGC in the genome of Bacillus cereus DSM 28590 from the mouse intestine ( www.dsmz.de/miBC ), which was predicted to encode a thiazol(in)e substructure. Cloning and heterologous expression of this BGC revealed that it produces bacillamide D. In-depth functional evaluation showed potent cytotoxicity and inhibition of cell migration using the human cell lines HCT116 and HEK293, which was validated using primary mouse organoids. This work establishes the bacillamides as selective cytotoxins from a bacterial gut isolate that affect mammalian cells. Our targeted structure-function-predictive approach is demonstrated to be a streamlined method to discover deleterious gut microbial metabolites with potential effects on human health.

Abstract Cereulide-producing members of Bacillus cereus sensu lato ( B. cereus s.l. ) Group III, also known as “emetic B. cereus ”, possess cereulide synthetase, a plasmid-encoded, non-ribosomal peptide synthetase encoded by the ces gene cluster. Despite the documented risks that cereulide-producing strains pose to public health, the level of genomic diversity encompassed by “emetic B. cereus ” has never been evaluated at a whole-genome scale. Here, we employ a phylogenomic approach to characterize Group III B. cereus s.l. genomes which possess ces ( ces -positive) alongside their closely related ces -negative counterparts to (i) assess the genomic diversity encompassed by “emetic B. cereus ”, and (ii) identify potential ces loss and/or gain events within the evolutionary history of the high-risk and medically relevant sequence type (ST) 26 lineage often associated with emetic foodborne illness. Using all publicly available ces -positive Group III B. cereus s.l. genomes and the ces -negative genomes interspersed among them ( n = 150), we show that “emetic B. cereus ” is not clonal; rather, multiple lineages within Group III harbor cereulide-producing strains, all of which share a common ancestor incapable of producing cereulide (posterior probability [PP] 0.86-0.89). The ST 26 common ancestor was predicted to have emerged as ces -negative (PP 0.60-0.93) circa 1904 (95% highest posterior density [HPD] interval 1837.1-1957.8) and first acquired the ability to produce cereulide before 1931 (95% HPD 1893.2-1959.0). Three subsequent ces loss events within ST 26 were observed, including among isolates responsible for B. cereus s.l. toxicoinfection (i.e., “diarrheal” illness). Importance “ B. cereus ” is responsible for thousands of cases of foodborne disease each year worldwide, causing two distinct forms of illness: (i) intoxication via cereulide (i.e., “emetic” syndrome) or (ii) toxicoinfection via multiple enterotoxins (i.e., “diarrheal” syndrome). Here, we show that “emetic B. cereus ” is not a clonal, homogenous unit that resulted from a single cereulide synthetase gain event followed by subsequent proliferation; rather, cereulide synthetase acquisition and loss is a dynamic, ongoing process that occurs across lineages, allowing some Group III B. cereus s.l. populations to oscillate between diarrheal and emetic foodborne pathogen over the course of their evolutionary histories. We also highlight the care that must be taken when selecting a reference genome for whole-genome sequencing-based investigation of emetic B. cereus s.l. outbreaks, as some reference genome selections can lead to a confounding loss of resolution and potentially hinder epidemiological investigations.

ABSTRACT Non-typhoidal Salmonella enterica imposes a significant burden on human and animal health in South Africa. However, very little is known about lineages circulating among animals and animal products in the country on a genomic scale. Here, we used whole-genome sequencing (WGS) to characterize 63 Salmonella enterica strains ( n = 18, 8, 13, and 24 strains assigned to serotypes Dublin, Hadar, Enteritidis, and Typhimurium, respectively) isolated from livestock, companion animals, wildlife, and animal products in South Africa over a 60-year period. Within-serotype phylogenies were constructed using genomes sequenced in this study, as well as publicly available genomes representative of each respective serotype’s (i) global ( n = 2,802 and 1,569 S. Dublin and Hadar genomes, respectively) and (ii) African ( n = 716 and 343 S. Enteritidis and Typhimurium genomes, respectively) population. For S. Dublin, the approaches used here identified a largely antimicrobial-susceptible, endemic lineage circulating among humans, animals, and food in South Africa, as well as a lineage that was likely recently introduced from the United States. For S. Hadar, multiple South African lineages harboring streptomycin and tetracycline resistance-conferring genes were identified. African S. Enteritidis could be primarily partitioned into one largely antimicrobial-susceptible and one largely multidrug-resistant (MDR) clade, with South African isolates confined to the largely antimicrobial-susceptible clade. S. Typhimurium strains sequenced here were distributed across the African S. Typhimurium phylogeny, representing a diverse range of lineages, including numerous MDR lineages. Overall, this study provides insight into the evolution, population structure, and antimicrobial resistome composition of Salmonella enterica in Africa. IMPORTANCE Globally, Salmonella enterica is estimated to be responsible for more than 93 million illnesses and 150,000 deaths annually. In Africa, the burden of salmonellosis is disproportionally high; however, WGS efforts are overwhelmingly concentrated in world regions with lower salmonellosis burdens. While WGS is being increasingly employed in South Africa to characterize Salmonella enterica , the bulk of these efforts have centered on characterizing human clinical strains. WGS data derived from non-typhoidal Salmonella enterica serotypes isolated from non-human sources in South Africa is extremely limited. To our knowledge, the genomes sequenced here represent the largest collection of non-typhoidal Salmonella enterica isolate genomes from non-human sources in South Africa to date. Furthermore, this study provides critical insights into endemic and ecdemic non-typhoidal Salmonella enterica lineages circulating among animals, foods, and humans in South Africa and showcases the utility of WGS in characterizing animal-associated strains from a world region with a high salmonellosis burden.

Abstract The Bacillus cereus group, also known as B. cereus sensu lato ( s.l. ), is a species complex comprising numerous closely related lineages, which vary in their ability to cause illness in humans and animals. The classification of B. cereus s.l. isolates into species-level taxonomic units is essential for facilitating communication between and among microbiologists, clinicians, public health officials, and industry professionals, but is not always straightforward. A recently proposed genomospecies-subspecies-biovar taxonomic framework aims to provide a standardized nomenclature for this species complex but relies heavily on whole-genome sequencing (WGS), a technology with limited accessibility. It thus is unclear whether popular, low-cost typing methods (e.g., single- and multi-locus sequence typing) remain congruent with the proposed taxonomy. Here, we characterize 2,231 B. cereus s.l. genomes using a combination of in silico (i) average-nucleotide identity (ANI)-based genomospecies assignment, (ii) ANI-based subspecies assignment, (iii) seven-gene multi-locus sequence typing (MLST), (iv) panC group assignment, (v) rpoB allelic typing, and (vi) virulence factor detection. We show that sequence types (STs) assigned using MLST can be used for genomospecies assignment, and we provide a comprehensive list of ST/genomospecies associations. For panC group assignment, we show that an adjusted, eight-group framework is largely congruent with the proposed eight-genomospecies taxonomy and resolves incongruencies observed in the historical seven-group framework among isolates assigned to panC Groups II, III, and VI. We additionally provide a list of loci that capture the topology of the whole-genome B. cereus s.l. phylogeny that may be used in future sequence typing efforts. For researchers with access to WGS, MLST, and/or panC data, we showcase how our recently released software, BTyper3 ( https://github.com/lmc297/BTyper3 ), can be used to assign B. cereus s.l. isolates to taxonomic units within this proposed framework with little-to-no user intervention or domain-specific knowledge of B. cereus s.l. taxonomy. We additionally outline a novel method for assigning B. cereus s.l. genomes to pseudo-gene flow units within proposed genomospecies. The results presented here highlight the backwards-compatibility and accessibility of the proposed taxonomic framework and illustrate that WGS is not a necessity for microbiologists who want to use the proposed taxonomy effectively.