Abstract In microbial systems, a metabolic pathway can be either completed by one autonomous population or alternatively be distributed among a consortium performing metabolic division of labor (MDOL), where several specialized populations cooperate to complete the pathway. MDOL facilitates the system’s function by reducing the metabolic burden; however, it may also hinder the function by reducing the exchange efficiency of metabolic intermediates among individuals. As a result, the metabolic efficiency of a community is influenced by trade-offs between the metabolic specialization and versatility of individuals, with the latter potentially introducing metabolic redundancy into the community. However, it remains unclear how metabolic specialization and versatility of the individuals involved can be controlled in order to optimize the function of the community. In this study, we deconstructed the metabolic pathway of naphthalene degradation into four specialized steps and introduced them individually or combinatorically into different strains, with varying levels of metabolic specialization. Using these strains, we engineered 1,456 synthetic consortia with varying levels of metabolic redundancy and tested their naphthalene degradation efficiency. We found that 74 consortia possessing metabolic redundancy exhibited higher degradation efficiency than both the autonomous population and the rigorous MDOL community. Quantitative modeling derived from our experiments provides general strategies for identifying the most effective MDOL consortium with functional redundancy (MCFR) from a range of possible MCFRs. Our large-scale genomic analysis suggests that natural communities for hydrocarbon degradation are mostly functionally redundant. In summary, our study provides critical insights into the engineering of high-performance microbial systems and explains why functional redundancy is prevalent in natural microbial communities.

Abstract Exploring natural diversity of functional genes/proteins from environmental DNA (eDNA) in a high-throughput fashion remains challenging. In this study, we developed a sequence-based functional metagenomics procedure for mining the diversity of copper resistance gene copA in global microbiomes, by combining the metagenomic assembly technology, local BLAST, evolutionary trace analysis (ETA), chemical synthesis, and conventional functional genomics. In total, 88 metagenomes were collected from a public database and subjected to copA detection, resulting in 93,899 hits. Manual curation of 1214 hits of high-confidence led to the retrieval of 517 unique CopA candidates, which were further subjected to ETA. Eventually 175 novel copA sequences of high-quality were discovered. Phylogenetic analysis showed that almost all of these putative CopA proteins are distantly related to known CopA proteins, with 55 sequences from totally unknown species. Ten novel and three known copA genes were chemically synthesized for further functional genomic tests using the Cu-sensitive Escherichia coli (Δ copA ). Growth test and Cu uptake determination showed that five novel clones had positive effects on host Cu resistance and uptake. One recombinant harboring copA -like 15 ( copAL15 ) successfully restored Cu resistance of host with a substantially enhanced Cu uptake. Two novel copA genes were fused with the gfp gene and expressed in E. coli for microscopic observation. Imaging results showed that they were successfully expressed and their proteins were localized to the membrane. The results here greatly expand the diversity of known CopA proteins, and the sequence-based procedure developed overcomes biases in length, screening methods, and abundance of conventional functional metagenomics.

Abstract Metabolic division of labor (MDOL) is commonly observed in microbial communities, where a metabolic pathway is sequentially implemented by several members similar to an assembly line. Uncovering the assembly rules of the community engaged in MDOL is crucial for understanding its ecological contribution, as well as for engineering high-performance microbial communities. To investigate the assembly of the community engaged in MDOL, we combined mathematical modelling with experimentations using synthetic microbial consortia. We built a theoretical framework predict the assembly of MDOL system, and derived a simple rule: to maintain co-existence of the MDOL members, the populations responsible for former steps should hold a growth advantage ( m ) over the ‘private benefit’ ( n ) of the population responsible for last step, and the steady-state frequency of the last population is determined by the quotient of n and m . Our experiments further indicated that our theoretical framework accurately predicted the stability and assembly of our engineered synthetic consortia that degrade naphthalene through two-step or multi-step MDOL. Our results demonstrate that the assembly of microbial community engaged in MDOL is determined by a limited number of parameters. This quantitative understanding provides novel insights on designing and managing stable microbial systems to address grand challenges facing human society in agriculture, degradation of the environment, and human health.

Background Lipoma, a benign tumor derived from mesenchymal tissue, significantly affects patients’ physical and psychological wellbeing. Increasing evidence points to a strong link between the gut microbiome (GM) and lipoma incidence. This study utilizes Mendelian Randomization (MR) to assess the potential causal relationships between the GM and lipoma development. Methods We conducted a two-sample MR analysis using genome-wide association study (GWAS) data from MiBioGen and FinnGen to explore the causal relationship between GM and lipoma. The GM dataset included 18,340 participants with 14,587 single nucleotide polymorphisms (SNPs), while the lipoma dataset comprised 412,181 participants with 21,306,349 SNPs. We employed 5 MR methods: Inverse Variance Weighted (IVW), Weighted Median, Simple Mode, MR-Egger, and Weighted Mode. Additional assessments included Cochran’s Q test for result heterogeneity, PRESSO analysis for horizontal pleiotropy, and sensitivity analyses through scatter plots, leave-one-out analyses, funnel plots, and forest plots. Results The IVW method identified 18 gene predictors trans-genus associated with lipoma risk. Protective effects against benign lipoma (BL) were observed in the Eubacterium rectale group, Desulfovibrio, Ruminococcus1, Clostridium sensu stricto1, and Lachnospiraceae UCG001; conversely, Lachnospiraceae UCG008 was linked to increased BL risk. Desulfovibrio provided protection against TS-BL; however, the Family XIII AD3011 group, Eubacterium coprostanoligenes group, Lachnospiraceae NK4A136 group, and Parasutterella were associated with an increased TS-BL risk. The Clostridium innocuum group, Eubacterium rectale group, Anaerotruncus, Ruminiclostridium6, and Lachnospiraceae UCG001 offered protection against LS-BL, while Lachnospiraceae UCG008 was linked to an increased LS-BL risk. The Eubacterium brachy group, Odoribacter, Butyricimonas, Subdoligranulum, and Clostridium sensu stricto1 were protective against HFNS-BL; Ruminococcaceae UCG005 was associated with an increased HFNS-BL risk. Conclusion Compared to malignant tumors, research on lipomas has been relatively limited. This study, through MR analysis, provided new evidence of a causal relationship between specific GM and the development of lipomas. Certain gut bacterial species may act as protective or harmful factors in lipoma formation, offering new avenues for future treatment strategies. However, additional research is required to unravel the complexity of how GM influences the pathogenesis of lipomas.

ABSTRACT DNA topoisomerases are essential enzymes for a variety of cellular processes involved in DNA transactions. Mechanistic insights into type IA DNA topoisomerases have come principally from studies on bacterial and eukaryotic enzymes. A structural understanding of type IA topoisomerases in Archaea is lacking. Here, we present a 2.1-angstrom crystal structure of full-length Sulfolobus solfataricus topoisomerase III ( Sso topo III), an archaeal member of type IA topoisomerases. The structure shows that Sso topo III adopts a characteristic torus-like architecture consisting of a four-domain core region and a novel carboxyl-terminal zinc finger domain (domain V). Structure-based mutation analyses reveal that a novel zinc-binding motif in domain V is essential for the DNA decatenation activity of Sso topo III. Our data indicate that Sso topo III represents a subclass of Type IA topoisomerases capable of resolving DNA catenates using a domain V-dependent mechanism. IMPORTANCE Type IA topoisomerases are omnipresent in all cellular life forms and serve pivotal roles in cellular processes involved in DNA transactions. While considerable insights have been gained into Type IA topoisomerases from bacteria and eukaryotes, a structural understanding of type IA topoisomerases in Archaea remains elusive. we first determined the crystal structure of full-length Sulfolobus solfataricus topoisomerase III ( Sso topo III), an archaeal member of type IA topoisomerases. Our structure provides the first molecular view of this archaeal topoisomerase, which removes negative supercoils and decatenates DNA catenane. Our findings manifest that Sso topo III may serve as an alternative prototype of type IA topoisomerases, whose decatenation mechanism differs from that of known bacterial and eukaryotic topoisomerases III such as Escherichia coli topoisomerase III (EcTOP3).

ABSTRACT The type VI secretion system (T6SS) comprises dynamic complex bacterial contractile nanomachines and is used by many bacteria to inhibit or kill other prokaryotic or eukaryotic cells. Previous studies have revealed that T6SS is constitutively active in response to various stimuli, or fires effectors into host cells during infection. It has been proposed that the T6SS effector EvpP in Edwardsiella piscicida can inhibit NLRP3 inflammasome activation via the Ca 2+ -dependent JNK pathways. Here, we developed an in vivo infection model by microinjecting bacteria into the tail vein muscle of 3-day-post-fertilized zebrafish larvae, and found that both macrophages and neutrophils are essential for bacterial clearance. Further study revealed that EvpP plays a critical role in promoting the pathogenesis of E. piscicida via inhibiting the phosphorylation of Jnk signaling to reduce the expression of cxcl8a , mmp13 and IL-1β in vivo. Subsequently, by utilizing Tg ( mpo:eGFP +/+ ) zebrafish larvae for E. piscicida infection, we found that the EvpP-inhibited Jnk-caspy inflammasome signaling axis significantly suppressed the recruitment of neutrophils to infection sites, and the caspy ‐ or IL-1β -MO knockdown larvae were more susceptible to infection and failed to restrict bacterial colonization in vivo . IMPORTANCE Innate immunity is regulated by phagocytic cells and is critical for host control of bacterial infection. In many bacteria, T6SSs can affect bacterial virulence in certain environments, but little is known about the mechanisms underlying T6SS regulation of innate immune responses during infection in vivo . Here, we investigated the role of an E. piscicida T6SS effector EvpP in manipulating the reaction of neutrophils in vivo. We show that EvpP inhibits the activation of Jnk-caspy inflammasome pathway in zebrafish larvae, and reveal that macrophages are essential for neutrophil recruitment in vivo . This interaction improves our understanding about the complex and contextual role of a bacterial T6SS effector in modulating the action of myeloid cells during infection, and offers new insights into the warfare between bacterial weapons and host immunological surveillance.

Gene capture coupled with the next generation sequencing has become one of the favorable methods in subsampling genomes for phylogenomic studies. Many target gene markers have been developed in plants, sharks, frogs, reptiles and others, but few have been reported in the ray-finned fishes. Here, we identified a suite of single-copy protein coding sequence (CDS) markers through comparing eight fish genomes, and tested them empirically in 83 species (33 families and 11 orders) of ray-finned fishes. Sorting through the markers according to their completeness and phylogenetic decisiveness in taxa tested resulted in a selection of 4,434 markers, which were proven to be useful in reconstructing phylogenies of the ray-finned fishes at different taxonomic level. We also proposed a strategy of refining baits (probes) design a posteriori based on empirical data. The markers that we have developed may fill a gap in the tool kit of phylogenomic study in vertebrates.