ABSTRACT Plants expend significant resources to select and maintain rhizosphere communities that benefit their growth and protect them from pathogens. A better understanding of assembly and function of rhizosphere microbial communities will provide new avenues for improving crop production. Secretion of antibiotics is one means by which bacteria interact with neighboring microbes and sometimes change community composition. In our analysis of a taxonomically diverse consortium from the soybean rhizosphere, we found that Pseudomonas koreensis selectively inhibits growth of Flavobacterium johnsoniae and other members of the Bacteroidetes grown in soybean root exudate. A genetic screen in P. koreensis identified a previously uncharacterized biosynthetic gene cluster responsible for the inhibitory activity. The metabolites were isolated based on biological activity and were characterized using tandem-mass spectrometry, multidimensional NMR, and Mosher ester analysis, leading to the discovery of a new family of bacterial piperidine alkaloids, koreenceine A-D ( 1–4 ). Three of these metabolites are analogs of the plant alkaloid γ-coniceine. Comparative analysis of the koreenceine cluster with the γ-coniceine pathway revealed distinct polyketide synthase (PKS) routes to the defining piperidine scaffold, suggesting convergent evolution. Koreenceine-type pathways are widely distributed among Pseudomonas species, and koreenceine C was detected in another Pseudomonas sp. from a distantly related cluster. This work suggests that Pseudomonas and plants convergently evolved the ability to produce similar alkaloid metabolites that can mediate inter-bacterial competition in the rhizosphere. IMPORTANCE The microbiomes of plants are critical to host physiology and development. Microbes are attracted to the rhizosphere due to massive secretion of plant photosynthates from roots. Microorganisms that successfully join the rhizosphere community from bulk soil have access to more abundant and diverse molecules, producing a highly competitive and selective environment. In the rhizosphere, as in other microbiomes, there is little known about the genetic basis for individual species’ behaviors within the community. In this study, we characterized competition between Pseudomonas koreensis and Flavobacterium johnsoniae , two common rhizosphere inhabitants. We identified a widespread gene cluster in several Pseudomonas spp., which is necessary for the production of a novel family of piperidine alkaloids that are structural analogs of plant alkaloids. We expand the known repertoire of antibiotics produced from Pseudomonas in the rhizosphere and demonstrate the role of the metabolites in interactions with other bacteria of the rhizosphere.

Abstract Interleukin-10 (IL-10) is a key anti-inflammatory cytokine that can limit immune cell activation and cytokine production in innate immune cell types 1 . Loss of IL-10 signalling results in life-threatening inflammatory bowel disease in humans and mice—however, the exact mechanism by which IL-10 signalling subdues inflammation remains unclear 2–5 . Here we find that increased saturated very long chain (VLC) ceramides are critical for the heightened inflammatory gene expression that is a hallmark of IL-10 deficiency. Accordingly, genetic deletion of ceramide synthase 2 (encoded by Cers2 ), the enzyme responsible for VLC ceramide production, limited the exacerbated inflammatory gene expression programme associated with IL-10 deficiency both in vitro and in vivo. The accumulation of saturated VLC ceramides was regulated by a decrease in metabolic flux through the de novo mono-unsaturated fatty acid synthesis pathway. Restoring mono-unsaturated fatty acid availability to cells deficient in IL-10 signalling limited saturated VLC ceramide production and the associated inflammation. Mechanistically, we find that persistent inflammation mediated by VLC ceramides is largely dependent on sustained activity of REL, an immuno-modulatory transcription factor. Together, these data indicate that an IL-10-driven fatty acid desaturation programme rewires VLC ceramide accumulation and aberrant activation of REL. These studies support the idea that fatty acid homeostasis in innate immune cells serves as a key regulatory node to control pathologic inflammation and suggests that ‘metabolic correction’ of VLC homeostasis could be an important strategy to normalize dysregulated inflammation caused by the absence of IL-10.

Interactions between microbiota and enteric pathogens can promote colonization resistance or enhance pathogenesis. The pathobiont Enterococcus faecalis increases enterohaemorrhagic E. coli (EHEC) virulence by upregulating Type 3 Secretion System (T3SS) expression, effector translocation, and attaching and effacing (AE) lesion formation on enterocytes, but the mechanisms underlying this remain unknown. Using co-infection of organoids, metabolomics, supplementation experiments and bacterial genetics, here we show that co-culture of EHEC with E. faecalis increases the xanthine-hypoxanthine pathway activity and adenine biosynthesis. Adenine or E. faecalis promoted T3SS gene expression, while transcriptomics showed upregulation of adeP expression, which encodes an adenine importer. Mechanistically, adenine relieved High hemolysin activity (Hha)-dependent repression of T3SS gene expression in EHEC and promoted AE lesion formation in an AdeP-dependent manner. Microbiota-derived purines, such as adenine, support multiple beneficial host responses; however, our data show that this metabolite also increases EHEC virulence, highlighting the complexity of pathogen-microbiota-host interactions in the gut.

Pseudomonas aeruginosa is intrinsically resistant to many classes of antibiotics, reflecting the restrictive nature of its outer membrane and the action of its numerous efflux systems. However, the dynamics of compound uptake, retention and efflux in this bacterium remain incompletely understood. Here, we exploited the sensor capabilities of a Z-nucleotide sensing riboswitch to create an experimental system able to identify physicochemical and structural properties of compounds that permeate the bacterial cell, avoid efflux, and perturb the folate cycle or de novo purine synthesis. In a first step, a collection of structurally diverse compounds enriched in antifolate drugs was screened for ZTP riboswitch reporter activity in efflux-deficient P. aeruginosa , allowing us to identify compounds that entered the cell and disrupted the folate pathway. These initial hits were then rescreened using isogenic efflux-proficient bacteria, allowing us to separate efflux substrates from efflux avoiders. We confirmed this categorization by measuring intracellular levels of select compounds in the efflux-deficient and - proficient strain using high resolution LC-MS. This simple yet powerful method, optimized for high throughput screening, enables the discovery of numerous permeable compounds that avoid efflux and paves the way for further refinement of the physicochemical and structural rules governing efflux in this multi-drug resistant Gram-negative pathogen.Treatment of Pseudomonas aeruginosa infections has become increasingly challenging. The development of novel antibiotics against this multi-drug resistant bacterium is a priority, but many drug candidates never achieve effective concentrations in the bacterial cell due due to its highly restrictive outer membrane and the action of multiple efflux pumps. Here, we develop a robust and simple reporter system in P. aeruginosa to screen chemical libraries and identify compounds that either enter the cell and remain inside, or enter the cell and are exported by efflux systems. This approach enables developing rules of compound uptake and retention in P. aeruginosa that will lead to more rational design of novel antibiotics.

Abstract Unchecked chronic inflammation is the underlying cause of many diseases, ranging from inflammatory bowel disease to obesity and neurodegeneration. Given the deleterious nature of unregulated inflammation, it is not surprising that cells have acquired a diverse arsenal of tactics to limit inflammation. IL-10 is a key anti-inflammatory cytokine that can limit immune cell activation and cytokine production in innate immune cell types; however, the exact mechanism by which IL-10 signaling subdues inflammation remains unclear. Here, we find that IL-10 signaling constrains sphingolipid metabolism. Specifically, we find increased saturated very long chain (VLC) ceramides are critical for the heightened inflammatory gene expression that is a hallmark of IL-10-deficient macrophages. Genetic deletion of CerS2, the enzyme responsible for VLC ceramide production, limited exacerbated inflammatory gene expression associated with IL-10 deficiency both in vitro and in vivo , indicating that “metabolic correction” is able to reduce inflammation in the absence of IL-10. Surprisingly, accumulation of saturated VLC ceramides was regulated by flux through the de novo mono-unsaturated fatty acid (MUFA) synthesis pathway, where addition of exogenous MUFAs could limit both saturated VLC ceramide production and inflammatory gene expression in the absence of IL-10 signaling. Together, these studies mechanistically define how IL-10 signaling manipulates fatty acid metabolism as part of its molecular anti-inflammatory strategy and could lead to novel and inexpensive approaches to regulate aberrant inflammation.

The quest to manipulate microbiomes has intensified, but many microbial communities have proven recalcitrant to sustained change. Developing model communities amenable to genetic dissection will underpin successful strategies for shaping microbiomes by advancing understanding of community interactions. We developed a model community with representatives from three dominant rhizosphere taxa: the Firmicutes, Proteobacteria, and Bacteroidetes. We chose Bacillus cereus as a model rhizosphere Firmicute and characterized twenty other candidates, including hitchhikers that co-isolated with B. cereus from the rhizosphere. Pairwise analysis produced a hierarchical interstrain-competition network. We chose two hitchhikers - Pseudomonas koreensis from the top tier of the competition network and Flavobacterium johnsoniae from the bottom of the network to represent the Proteobacteria and Bacteroidetes, respectively. The model community has several emergent properties - induction of dendritic expansion of B. cereus colonies by either of the other members and production of more robust biofilms by the three members together than individually. Moreover, P. koreensis produces a novel family of alkaloid antibiotics that inhibit growth of F. johnsoniae, and production is inhibited by B. cereus. We designate this community THOR, because the members are the hitchhikers of the rhizosphere. The genetic, genomic, and biochemical tools available for dissection of THOR provide the means to achieve a new level of understanding of microbial community behavior.

Colibactins are genotoxic secondary metabolites produced in select Enterobacteriaceae, which induce downstream DNA double-strand breaks (DSBs) in human cell lines and are thought to promote the formation of colorectal tumors. Although key structural and functional features of colibactins have been elucidated, the full molecular mechanisms regulating these phenotypes remain unknown. Here, we demonstrate that free model colibactins induce DSBs in human cell cultures and do not require delivery by host bacteria. Through domain-targeted editing, we demonstrate that a subset of native colibactins generated from observed module skipping in the nonribosomal peptide synthetase-polyketide synthase (NRPS-PKS) biosynthetic assembly line share DNA alkylation phenotypes with the model colibactins in vitro. However, module skipping eliminates the strong DNA interstrand crosslinks formed by the wildtype pathway in cell culture. This product diversification during the modular NRPS-PKS biosynthesis produces a family of metabolites with varying observed mechanisms of action - DNA alkylation versus crosslinking - in cell culture. The presence of membranes separating human cells from model colibactins attenuated genotoxicity, suggesting that membrane diffusion limits colibactin activity and could account for the observed bacteria-human cell-to-cell contact phenotype. Additionally, extracellular supplementation of the colibactin resistance protein ClbS was able to intercept colibactins in an E. coli-human cell transient infection model. Our studies demonstrate that free model colibactins recapitulate cellular phenotypes associated with module-skipped products in the native colibactin pathway and define specific protein domains that are required for efficient DNA interstrand crosslinking in the native pathway.

Animals host multi-species microbial communities (microbiomes) whose properties may result from inter-species interactions; however current understanding of host-microbiome interactions is derived mostly from studies in which is it is difficult to elucidate microbe-microbe interactions. In exploring how Drosophila melanogaster acquires its microbiome, we found that a microbial community influences Drosophila olfactory and egg-laying behaviors differently than individual members. Drosophila prefers a Saccharomyces-Acetobacter co-culture to the same microorganisms grown individually and then mixed, a response mainly due to the conserved olfactory receptor, Or42b. Acetobacter metabolism of Saccharomyces-derived ethanol was necessary, and acetate and its metabolic derivatives were sufficient, for co-culture preference. Preference correlated with three emergent co-culture properties: ethanol catabolism, a distinct volatile emission profile, and yeast population decline. We describe a molecular mechanism by which a microbial community affects animal behavior. Our results support a model whereby emergent metabolites signal Drosophila to acquire its preferred multispecies microbiome.

The detection of nucleic acids by pattern recognition receptors is an ancient and conserved component of the innate immune system. Notably, RNA virus genomes are sensed by mammalian cytosolic RIG-I-like receptors, thereby activating interferon-stimulated gene (ISG) expression to restrict viral replication. However, recent evidence indicates that the cGAS-STING DNA sensing pathway also protects against RNA viruses. So far, the mechanisms responsible for DNA sensing of RNA viruses, which replicate without known DNA intermediates, remain unclear. By using cGAS gene knockout and reconstitution in human and mouse cell cultures, we discovered that DNA sensing and cGAMP synthase activities are required for cGAS-mediated restriction of vesicular stomatitis virus and Sindbis virus. The level of cGAMP produced in response to RNA virus infection was below the threshold of detection, suggesting that only transient and/or low levels of cGAMP are produced during RNA virus infections. To clarify the DNA ligands that activate cGAS activity, we confirmed that cGAS binds mitochondrial DNA in the cytosol of both uninfected and infected cells; however, the amount of cGAS-associated mitochondrial DNA did not change in response to virus infection. Rather, a variety of pre-existing cytosolic DNAs, including mitochondrial DNA and endogenous cDNAs, may serve as stimuli for basal cGAS activation. Importantly, cGAS knockout and reconstitution experiments demonstrated that cGAS drives low-level ISG expression at steady state. We propose that cGAS-STING restricts RNA viruses by promoting a preparatory immune activation state within cells, likely primed by endogenous cellular DNA ligands.

Colibactin is a gut microbiome metabolite of unknown structure that has been implicated in colorectal cancer formation. Several studies now suggest that the tumorgenicity of colibactin derives from interstrand cross-linking of host DNA. Here we use a combination of genetics, isotope labeling, tandem MS, and chemical synthesis to deduce the structure of colibactin. Our structural assignment accounts for all known biosynthetic data and suggests roles for the final unaccounted enzymes in the colibactin gene cluster. DNA cross-link degradation products derived from synthetic and natural colibactin were indistinguishable by tandem MS analysis, thereby confirming the structure prediction. This work reveals the structure of colibactin, which has remained incompletely defined for over a decade.