A newly developed method of measuring oceanic nitrogen-fixation rates provides significantly higher estimates than a current widely applied technique, and could close gaps in the marine nitrogen budget. Attempts to produce a balanced marine nitrogen budget on the basis of direct measurements have proved difficult, with nitrogen loss exceeding the gain by dinitrogen (N2) fixation. Here, Julie LaRoche and colleagues report a possible reason for this problem. They suggest that a method widely used to measure oceanic N2-fixation rates significantly and variably underestimates the contribution of microorganisms known as diazotrophs. This emerges from comparisons with fixed nitrogen measurements made with a newly developed method in the Atlantic Ocean. If the findings could be extrapolated to other ocean basins, N2-fixation rates would be almost double current estimates, a significant narrowing of the gap between nitrogen loss and gain. Biological dinitrogen fixation provides the largest input of nitrogen to the oceans, therefore exerting important control on the ocean's nitrogen inventory and primary productivity1,2,3. Nitrogen-isotope data from ocean sediments suggest that the marine-nitrogen inventory has been balanced for the past 3,000 years (ref. 4). Producing a balanced marine-nitrogen budget based on direct measurements has proved difficult, however, with nitrogen loss exceeding the gain from dinitrogen fixation by approximately 200 Tg N yr−1 (refs 5, 6). Here we present data from the Atlantic Ocean and show that the most widely used method of measuring oceanic N2-fixation rates7 underestimates the contribution of N2-fixing microorganisms (diazotrophs) relative to a newly developed method8. Using molecular techniques to quantify the abundance of specific clades of diazotrophs in parallel with rates of 15N2 incorporation into particulate organic matter, we suggest that the difference between N2-fixation rates measured with the established method7 and those measured with the new method8 can be related to the composition of the diazotrophic community. Our data show that in areas dominated by Trichodesmium, the established method underestimates N2-fixation rates by an average of 62%. We also find that the newly developed method yields N2-fixation rates more than six times higher than those from the established method when unicellular, symbiotic cyanobacteria and γ-proteobacteria dominate the diazotrophic community. On the basis of average areal rates measured over the Atlantic Ocean, we calculated basin-wide N2-fixation rates of 14 ± 1 Tg N yr−1 and 24 ±1 Tg N yr−1 for the established and new methods, respectively. If our findings can be extrapolated to other ocean basins, this suggests that the global marine N2-fixation rate derived from direct measurements may increase from 103 ± 8 Tg N yr−1 to 177 ± 8 Tg N yr−1, and that the contribution of N2 fixers other than Trichodesmium is much more significant than was previously thought.

Summary Marine macroalgae are constantly exposed to epibacterial colonizers. The epiphytic bacterial patterns and their temporal and spatial variability on host algae are poorly understood. To investigate the interaction between marine macroalgae and epiphytic bacteria, this study tested if the composition of epibacterial communities on different macroalgae was specific and persisted under varying biotic and abiotic environmental conditions over a 2‐year observation time frame. Epibacterial communities on the co‐occurring macroalgae Fucus vesiculosus, Gracilaria vermiculophylla and Ulva intestinalis were repeatedly sampled in summer and winter of 2007 and 2008. The epibacterial community composition was analysed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and 16S rRNA gene libraries. Epibacterial community profiles did not only differ significantly at each sampling interval among algal species, but also showed consistent seasonal differences on each algal species at a bacterial phylum level. These compositional patterns re‐occurred at the same season of two consecutive years. Within replicates of the same algal species, the composition of bacterial phyla was subject to shifts at the bacterial species level, both within the same season but at different years and between different seasons. However, 7–16% of sequences were identified as species specific to the host alga. These findings demonstrate that marine macroalgae harbour species‐specific and temporally adapted epiphytic bacterial biofilms on their surfaces. Since several algal host‐specific bacteria were highly similar to other bacteria known to either avoid subsequent colonization by eukaryotic larvae or to exhibit potent antibacterial activities, algal host‐specific bacterial associations are expected to play an important role for marine macroalgae.

Abstract. The recent finding that microbial ammonia oxidation in the ocean is performed by archaea to a greater extent than by bacteria has drastically changed the view on oceanic nitrification. The numerical dominance of archaeal ammonia-oxidizers (AOA) over their bacterial counterparts (AOB) in large parts of the ocean leads to the hypothesis that AOA rather than AOB could be the key organisms for the oceanic production of the strong greenhouse gas nitrous oxide (N2O) that occurs as a by-product of nitrification. Very recently, enrichment cultures of marine ammonia-oxidizing archaea have been reported to produce N2O. Here, we demonstrate that archaeal ammonia monooxygenase genes (amoA) were detectable throughout the water column of the eastern tropical North Atlantic (ETNA) and eastern tropical South Pacific (ETSP) Oceans. Particularly in the ETNA, comparable patterns of abundance and expression of archaeal amoA genes and N2O co-occurred in the oxygen minimum, whereas the abundances of bacterial amoA genes were negligible. Moreover, selective inhibition of archaea in seawater incubations from the ETNA decreased the N2O production significantly. In studies with the only cultivated marine archaeal ammonia-oxidizer Nitrosopumilus maritimus SCM1, we provide the first direct evidence for N2O production in a pure culture of AOA, excluding the involvement of other microorganisms as possibly present in enrichments. N. maritimus showed high N2O production rates under low oxygen concentrations comparable to concentrations existing in the oxycline of the ETNA, whereas the N2O production from two AOB cultures was comparably low under similar conditions. Based on our findings, we hypothesize that the production of N2O in tropical ocean areas results mainly from archaeal nitrification and will be affected by the predicted decrease in dissolved oxygen in the ocean.

The human gut microbiome plays an important role in health, but its archaeal diversity remains largely unexplored. In the present study, we report the analysis of 1,167 nonredundant archaeal genomes (608 high-quality genomes) recovered from human gastrointestinal tract, sampled across 24 countries and rural and urban populations. We identified previously undescribed taxa including 3 genera, 15 species and 52 strains. Based on distinct genomic features, we justify the split of the Methanobrevibacter smithii clade into two separate species, with one represented by the previously undescribed ‘Candidatus Methanobrevibacter intestini’. Patterns derived from 28,581 protein clusters showed significant associations with sociodemographic characteristics such as age groups and lifestyle. We additionally show that archaea are characterized by specific genomic and functional adaptations to the host and carry a complex virome. Our work expands our current understanding of the human archaeome and provides a large genome catalogue for future analyses to decipher its impact on human physiology. Recovery of 1,167 nonredundant archaeal genomes from the human gut microbiomes reveals previously undescribed genera, associations with sociodemographic factors and the presence of an archaeal virome.

Abstract Almost all animals and plants are inhabited by diverse communities of microorganisms, the microbiota, thereby forming an integrated entity, the metaorganism. Natural selection should favor hosts that shape the community composition of these microbes to promote a beneficial host-microbe symbiosis. Indeed, animal hosts often pose selective environments, which only a subset of the environmentally available microbes are able to colonize. How these microbes assemble after colonization to form the complex microbiota is less clear. Neutral models are based on the assumption that the alternatives in microbiota community composition are selectively equivalent and thus entirely shaped by random population dynamics and dispersal. Here, we use the neutral model as a null hypothesis to assess microbiata composition in host organisms, which does not rely on invoking any adaptive processes underlying microbial community assembly. We show that the overall microbiota community structure from a wide range of host organisms, in particular including previously understudied invertebrates, is in many cases consistent with neutral expectations. Our approach allows to identify individual microbes that are deviating from the neutral expectation and which are therefore interesting candidates for further study. Moreover, using simulated communities we demonstrate that transient community states may play a role in the deviations from the neutral expectation. Our findings highlight that the consideration of neutral processes and temporal changes in community composition are critical for an in-depth understanding of microbiota-host interactions.

The human gut microbiome plays an important role in health and disease, but the archaeal diversity therein remains largely unexplored. Here we report the pioneering analysis of 1,167 non-redundant archaeal genomes recovered from human gastrointestinal tract microbiomes across countries and populations. We identified three novel genera and 15 novel species including 52 previously unknown archaeal strains. Based on distinct genomic features, we warrant the split of the Methanobrevibacter smithii clade into two separate species, with one represented by the novel Candidatus M. intestini. Patterns derived from 1.8 million proteins and 28,851 protein clusters coded in these genomes showed a substantial correlation with socio-demographic characteristics such as age and lifestyle. We infer that archaea are actively replicating in the human gastrointestinal tract and are characterized by specific genomic and functional adaptations to the host. We further demonstrate that the human gut archaeome carries a complex virome, with some viral species showing unexpected host flexibility. Our work furthers our current understanding of the human archaeome, and provides a large genome catalogue for future analyses to decipher its role and impact on human physiology.

Abstract The associated microbiota of marine invertebrates plays an important role to the host in relation to fitness, health and homeostasis of the metaorganism. As one key chemically-mediated interaction, Quorum sensing (QS) and interference with QS among colonizing bacteria ultimately affects the establishment and dynamics of the microbial community on the host. Aiming to address interspecies competition of cultivable microbes associated to merging model species of the basal animal phyla Cnidaria ( Aurelia aurita ) and Ctenophora ( Mnemiopsis leidyi ) as well as to evaluate their potential to shape the associated community by interfering with QS, we performed a classical isolation approach. Overall, 84 bacteria were isolated from A. aurita medusae and polyps, 64 bacteria from M. leidyi , and 83 bacteria from the ambient seawater, followed by taxonomically classification by full length 16S rRNA gene analysis. The results show that the moon jellyfish A. aurita and the comb jelly M. leidyi harbor a cultivable core microbiota consisting of typical marine and ubiquitously found bacteria (e.g. Chryseobacter, Microbacterium, Micrococcus, Olleya, Phaeobacter, Pseudoalteromonas, Pseudomonas, Rhodococcus, Shewanella, Staphylococcus , and Vibrio ) which can also be found in the ambient seawater. However, several bacteria were restricted to one host (e.g. for A. aurita: Bacillus, Glaciecola, Ruegeria, Luteococcus; for M. leidyi: Acinetobacter, Aeromonas, Colwellia, Exiguobacterium, Marinomonas, Pseudoclavibacter, Psychrobacter, Sagittula, Thalassomonas ) suggesting host-specific microbial community patterns. Evaluating QQ activities, out of 231 isolates, 121 showed QS-interfering activity. They mainly interfered with the acyl homoserine lactone (AHL) based communication, whereas 21 showed simultaneous quorum quenching activities against AHL and autoinducer-2. Overall, this study provides insights into the cultivable part of the microbiota associated to two environmentally important marine non-model organisms and discloses their potential in synthesizing QS interfering compounds, potentially important in shaping a healthy and resilient microbiota.

ABSTRACT Polyethylene terephthalate (PET) is a commodity polymer known to globally contaminate marine and terrestrial environments. Today, around 40 bacterial and fungal PET-active enzymes (PETases) are known, originating from four bacterial and two fungal phyla. In contrast, no archaeal enzyme has been identified to degrade PET. Here we report on the structural and biochemical characterization of PET46, an archaeal promiscuous feruloyl esterase exhibiting degradation activitiy on PET, bis-, and mono-(2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET and MHET). The enzyme, found by a sequence-based metagenome search, was derived from a non-cultivated, deep-sea Candidatus Bathyarchaeota archaeon. Biochemical characterization demonstrated that PET46 is a promiscuous, heat-adapted hydrolase. Its crystal structure was solved at a resolution of 1.71 Å. It shares the core alpha/beta-hydrolase fold with bacterial PETases, but contains a unique lid common in feruloyl esterases, which is involved in substrate binding. Thus, our study significantly widens the currently known diversity of PET-hydrolyzing enzymes, by demonstrating PET depolymerization by a lignin-degrading esterase.

Abstract Archaea are integral components of the human microbiome but persist as understudied entities within the gastrointestinal tract (GIT), primarily due to the lack of cultured representatives for comprehensive mechanistic investigations. With only four Methanobrevibacter smithii isolates from humans available according to the Global Catalogue of Microorganisms (GCM), the existing cultures fail to adequately represent the observed diversity, as underscored by recent findings. This study introduces a targeted cultivation method for enriching methanogenic archaea from human fecal samples. Applied to 16 stool samples from healthy and diseased donors, the method aimed to genomically characterize the archaeal cultures and establish correlations with gastrointestinal disorders. The procedure combines methane breath testing, in silico metabolic modelling, media optimization, FACS, dilution series, and genomic sequencing through Nanopore technology. Additional analyses include co-cultured bacteriome, comparative genomics of archaeal genomes, functional comparisons, and structure-based protein function prediction of unknown differential traits. Successful establishment of stable archaeal cultures from 14 out of 16 fecal samples yielded nine previously uncultivated strains, eight of which were absent from a recent archaeome genome catalog. Comparative genomic and functional assessments of Methanobrevibacter smithii and Candidatus Methanobrevibacter intestini strains from diverse participant cohorts revealed features potentially associated with gastrointestinal diseases. This work substantially broadens the scope of available archaeal representatives for functional and mechanistic studies in the human GIT. The established protocol facilitates the cultivation of methanogenic archaea from nearly every human fecal sample, offering insights into the adaptability of Candidatus Methanobrevibacter intestini genomes in critical microbiome situations.

Summary Hexokinases (HK) catalyze the first step of glycolysis and thereby limit its pace. HK2 is highly expressed in the gut epithelium, plays a role in immune responses and is upregulated in inflammation and ulcerative colitis 1–3 . Here, we examined the microbial regulation of HK2 and its impact on intestinal inflammation by generating mice lacking HK2 specifically in intestinal epithelial cells ( Hk2 Δ IEC ). Hk2 Δ IEC mice were less susceptible to acute intestinal inflammation upon challenge with dextran sodium sulfate (DSS). Analyzing the epithelial transcriptome from Hk2 Δ IEC mice during acute colitis revealed downregulation of cell death signaling and mitochondrial dysfunction dependent on loss of HK2. Using intestinal organoids derived from Hk2 Δ IEC mice and Caco-2 cells lacking HK2, we identified peptidyl-prolyl cis-trans isomerase (PPIF) as a key target of HK2-mediated regulation of mitochondrial permeability and repression of cell-death during intestinal inflammation. The microbiota strongly regulated HK2 expression and activity. The microbially-derived short-chain fatty acid (SCFA) butyrate repressed HK2 expression and oral supplementation protected wildtype but not Hk2 Δ IEC mice from DSS colitis. Our findings define a novel mechanism how butyrate may act as a protective factor for intestinal barrier homeostasis and suggest targeted HK2 inhibition as a promising therapeutic avenue in intestinal inflammation.