Abstract Directed evolution has been used for decades to engineer biological systems from the top-down. Generally, it has been applied at or below the organismal level, by iteratively sampling the mutational landscape in a guided search for genetic variants of higher function. Above the organismal level, a small number of studies have attempted to artificially select microbial communities and ecosystems, with uneven and generally modest success. Our theoretical understanding of artificial ecosystem selection is still limited, particularly for large assemblages of asexual organisms, and we know little about designing efficient methods to direct their evolution. To address this issue, we have developed a flexible modeling framework that allows us to systematically probe any arbitrary selection strategy on any arbitrary set of communities and selected functions, in a wide range of ecological conditions. By artificially selecting hundreds of in-silico microbial metacommunities under identical conditions, we examine the fundamental limits of the two main breeding methods used so far, and prescribe modifications that significantly increase their power. We identify a range of directed evolution strategies that, particularly when applied in combination, are better suited for the top-down engineering of large, diverse, and stable microbial consortia. Our results emphasize that directed evolution allows an ecological structure-function landscape to be navigated in search for dynamically stable and ecologically and functionally resilient high-functioning communities.

Antitumor immunity is driven by CD8 T cells, yet we lack signatures for the exceptional effectors in tumors, amongst the vast majority of CD8 T cells undergoing exhaustion. By leveraging the measurement of a canonical T cell activation protein (CD69) together with its RNA (Cd69), we found a larger classifier for TCR stimulation-driven effector states in vitro and in vivo. This revealed exceptional star effectors - highly functional cells distinguished amidst progenitor and terminally exhausted cells. Although rare in growing mouse and human tumors, they are prominent in mice during T cell-mediated tumor clearance, where they engage with tumor antigen and are superior in tumor cell killing. Employing multimodal CITE-Seq allowed de novo identification of similar rare effectors amidst T cell populations in human cancer. The identification of rare and exceptional immune states provides rational avenues for enhancement of antitumor immunity.