Abstract The global demand for critical rare earth elements (REE) is rising 1 with the increase in demand for sustainable energy technologies like wind turbines 2,3 , electric vehicles 2,3 , and high efficiency lighting 4 . Current processes for producing REE require high energy inputs and can produce disproportionate amounts of hazardous waste. Biological methods for REE production are a promising solution to this problem. In earlier work we identified the most important genetic mechanisms contributing to the REE-bioleaching capability of Gluconobacter oxydans B58 5 . Here we have targeted two of these mechanisms to generate a high-efficiency bio-mining strain of G. oxydans . Disruption of the phosphate-specific transport system through a clean deletion of pstS constitutively turns on the phosphate starvation response, yielding a much more acidic biolixiviant, and increasing bioleaching by up to 30%. Coupling knockout of pstS with the over-expression of the mgdh membrane-bound glucose dehydrogenase gene, results in up to 73% improvement of REE-bioleaching.

Abstract Global consumption of protein is projected to double by the middle of the 21 st century 1 . However, protein production is one of the most energy intensive and environmentally damaging parts of the food supply system today. Electromicrobial production technologies that combine renewable electricity and CO 2 -fixing microbial metabolism could dramatically increase the energy efficiency of commodity chemical production 2–5 . Here we present a molecular-scale model that sets an upper limit on the performance of any organism performing electromicrobial protein production. We show that engineered microbes that fix CO 2 and N 2 using reducing equivalents produced by H 2 -oxidation or extracellular electron uptake could produce amino acids with energy inputs as low as 64 MJ kg -1 . This work provides a roadmap for development of engineered microbes that could significantly expand access to proteins produced with a low environmental footprint.

Abstract By the end of the century tens of gigatonnes of CO 2 will need to be removed from the atmosphere every year to maintain global temperatures. Natural weathering of ultramafic rocks and subsequent mineralization reactions can convert atmospheric CO 2 into ultra-stable carbonates. But, while natural weathering will eventually draw down all excess CO 2 , this process will need hundreds of thousands of years to do it. The CO 2 mineralization process could be accelerated by weathering ultramafic rocks with biodegradable lixiviants like organic acids. But, in this article we show that if these lixiviants are produced from cellulosic biomass, the demand created by CO 2 mineralization could monopolize the world’s supply of biomass even if CO 2 mineralization performance is high. In this article we demonstrate that electromicrobial production technologies (EMP) that combine renewable electricity and microbial metabolism could produce lixiviants for as little as $200 to $400 per tonne at solar electricity prices achievable within the decade. Furthermore, this allows the lixiviants needed to sequester a tonne of CO2 to be produced for less than $100, even with modest CO 2 mineralization performance.

Peptidoglycan is an essential component of the bacterial cell envelope made of glycan chains substituted by short peptide stems. Peptide stems are polymerised by D,D-transpeptidases, which make bonds between the amino acid in position 4 of a donor stem and the third residue of an acceptor stem (4-3 cross-links). Some bacterial peptidoglycans also contain 3-3 cross-links that are formed by another class of enzymes called L,D-transpeptidases. In this work, we investigate the formation of unusual 1-3 peptidoglycan cross-links present in acetic acid bacteria (Acetobacteraceae). Using a version of the PGFinder software that can identify 1-3 crosslinks, we report the high-resolution peptidoglycan structure of the model organism Gluconobacter oxydans. We reveal that G. oxydans peptidoglycan contains peptide stems made of a single alanine as well as several dipeptide stems with unusual amino acids at their C-terminus. We identify a G. oxydans mutant from a Sudoku transposon library that no longer contains 1-3 crosslinks. Using complementation experiments in G. oxydans and heterologous expression experiments in Escherichia coli, we demonstrate that the enzyme that catalyzes these non-canonical reactions is an L,D-transpeptidase with a domain distantly related to the YkuD domain. This work revisits the enzymatic capabilities of L,D-transpeptidases, a versatile family of enzymes that play a key role in bacterial peptidoglycan remodeling.

Abstract The transition to a sustainable energy economy will require an enormous increase in the supply of rare earth elements (REE). Bioleaching offers a promising alternative to conventional hydrometallurgical methods for REE extraction from low-grade ores. However, exploiting this potential remains challenging due to large gaps in our understanding of the genetics involved, and inadequate biological tools to address them. We generated a highly non-redundant whole genome knockout collection for the bioleaching microbe Gluconobacter oxydans B58, reducing redundancy by 85% compared to the previous best collection. This new collection was directly screened for bioleaching neodymium from a synthetic monazite powder, identifying 89 genes important for bioleaching, 68 of which have not previously been associated with this mechanism. We conducted bench-scale experiments to validate the extraction efficiency of promising strains: 8 demonstrated significant increases in bioleaching by up to 111% ( G. oxydans δ GO_1598 , a disruption of the gene encoding the orotate phosphoribosyltransferase enzyme PyrE), and one strain significantly reduced it by 97% (δ GO_1096 , a disruption of the gene encoding the GTP-binding protein TypA). Notable changes in biolixiviant pH were only observed for 3 strains, suggesting an important role for non-acid mechanisms in bioleaching. These findings provide valuable insights into further enhancing REE-bioleaching by G. oxydans ’ through targeted genetic engineering.