Advances in microbiome science are being driven in large part due to our ability to study and infer microbial ecology from genomes reconstructed from mixed microbial communities using metagenomics and single-cell genomics. Such omics-based techniques allow us to read genomic blueprints of microorganisms, decipher their functional capacities and activities, and reconstruct their roles in biogeochemical processes. Currently available tools for analyses of genomic data can annotate and depict metabolic functions to some extent; however, no standardized approaches are currently available for the comprehensive characterization of metabolic predictions, metabolite exchanges, microbial interactions, and microbial contributions to biogeochemical cycling.

Summary Viruses influence the fate of nutrients and human health by killing microorganisms and altering metabolic processes. Organosulfur metabolism and biologically-derived hydrogen sulfide play dynamic roles in manifestation of diseases, infrastructure degradation, and essential biological processes. While microbial organosulfur metabolism is well-studied, the role of viruses in organosulfur metabolism is unknown. Here we report the discovery of 39 gene families involved in organosulfur metabolism encoded by 3,749 viruses from diverse ecosystems, including human microbiomes. The viruses infect organisms from all three domains of life. Six gene families encode for enzymes that degrade organosulfur compounds into sulfide, while others manipulate organosulfur compounds and may influence sulfide production. We show that viral metabolic genes encode key enzymatic domains, are translated into protein, are maintained after recombination, and that sulfide provides a fitness advantage to viruses. Our results reveal viruses as drivers of organosulfur metabolism with important implications for human and environmental health.

ABSTRACT Microbial sulfidogenesis produces genotoxic hydrogen sulfide (H 2 S) in the human gut using inorganic (sulfate) and organic (taurine/cysteine/methionine) substrates, however the majority of studies have focused on sulfate reduction using dissimilatory sulfite reductases (Dsr). Recent evidence implicates microbial sulfidogenesis as a potential trigger of colorectal cancer (CRC), highlighting the need for comprehensive knowledge of sulfur metabolism within the human gut. Here we show that microbial sulfur metabolism is more abundant and diverse than previously studied and is statistically associated with CRC. Using ~17,000 bacterial genomes from publicly available stool metagenomes, we studied the diversity of sulfur metabolic genes in 667 participants across different health statuses: healthy, adenoma, and carcinoma. Sulfidogenic genes were harbored by 142 bacterial genera and both organic and inorganic sulfidogenic genes were associated with carcinoma. Significantly, anaerobic sulfite reductases were twice as abundant as dsr . We identified twelve potential pathways for reductive taurine metabolism including novel pathways, and prevalence of organic sulfur metabolic genes indicate these substrates may be the most abundant source of microbially derived H 2 S. Our findings significantly expand knowledge of microbial sulfur metabolism in the human gut, and highlight key gaps that limit understanding of its potential contributions to the pathogenesis of CRC.

Polymer composites have become attractive for structural applications in the built environment due to their lightweight and high strength properties but can suffer from degradation due to environmental factors. While impacts of abiotic factors like temperature and moisture are well studied, little is known about the influence of naturally occurring microbial communities on their structural integrity. Here we apply complementary time-series multi-omics of biofilms growing on polymer composites and materials characterization to elucidate, for the first time, the processes driving their degradation. We measured a reduction in mechanical properties due to molecular chain breakage and reconstructed 121 microbial genomes to describe microbial diversity and pathways associated with their degradation. The composite microbiome is dominated by four bacterial groups including the Candidate Phyla Radiation that possess pathways for breakdown of acrylate, esters, and bisphenol, abundant in composites. Overall, we provide a foundation for understanding interactions of next-generation structural materials with their natural environment that can predict their durability and drive future designs.

Microbial metabolism mediates fundamental transformations of chemistry and energy that drive biogeochemical cycles on our planet. Increasingly, we can read genomic blueprints of microorganisms, decipher their functional capacities and activities, and reconstruct their roles in biogeochemical processes using omic-based techniques such as metagenomics. Currently available tools for analyses of genomic data can annotate and depict metabolic functions to some extent, but they are not comprehensive. No standardized approaches are currently available for bioinformatic validation of metabolic predictions and identifying contributions of microorganisms and genes to biogeochemical cycles. Here we present METABOLIC (METabolic And BiogeOchemistry anaLyses In miCrobes), a scalable metabolic and biogeochemical functional trait profiler to comprehensively study microbial metabolism using genome data. METABOLIC uses metagenome-assembled (MAG), single-cell (SAG), or isolate genomes as input, annotates and processes genomes for identification and characterization of metabolism markers using KEGG and curated custom protein HMM databases, and applies motif confirmation of biochemically validated conserved residues in proteins. The output report includes functionally important HMM hit tables, protein collections for downstream analysis, tables (KEGG modules) and diagrams representing metabolic pathways for individual genomes, and a summary figure representing selected biogeochemical cycling processes on a community scale. We expect that METABOLIC will facilitate the study of genome-informed microbial metabolism and biogeochemistry and transform our understanding of environmental microbiomes.