Quorum-sensing bacteria communicate with extracellular signal molecules called autoinducers. This process allows community-wide synchronization of gene expression. A screen for additional components of the Vibrio harveyi and Vibrio cholerae quorum-sensing circuits revealed the protein Hfq. Hfq mediates interactions between small, regulatory RNAs (sRNAs) and specific messenger RNA (mRNA) targets. These interactions typically alter the stability of the target transcripts. We show that Hfq mediates the destabilization of the mRNA encoding the quorum-sensing master regulators LuxR (V. harveyi) and HapR (V. cholerae), implicating an sRNA in the circuit. Using a bioinformatics approach to identify putative sRNAs, we identified four candidate sRNAs in V. cholerae. The simultaneous deletion of all four sRNAs is required to stabilize hapR mRNA. We propose that Hfq, together with these sRNAs, creates an ultrasensitive regulatory switch that controls the critical transition into the high cell density, quorum-sensing mode.

The vitamin B12 family of cofactors known as cobamides are essential for a variety of microbial metabolisms. We used comparative genomics of 11,000 bacterial species to analyze the extent and distribution of cobamide production and use across bacteria. We find that 86% of bacteria in this data set have at least one of 15 cobamide-dependent enzyme families, but only 37% are predicted to synthesize cobamides de novo. The distribution of cobamide biosynthesis and use vary at the phylum level. While 57% of Actinobacteria are predicted to biosynthesize cobamides, only 0.6% of Bacteroidetes have the complete pathway, yet 96% of species in this phylum have cobamide-dependent enzymes. The form of cobamide produced by the bacteria could be predicted for 58% of cobamide-producing species, based on the presence of signature lower ligand biosynthesis and attachment genes. Our predictions also revealed that 17% of bacteria have partial biosynthetic pathways, yet have the potential to salvage cobamide precursors. Bacteria with a partial cobamide biosynthesis pathway include those in a newly defined, experimentally verified category of bacteria lacking the first step in the biosynthesis pathway. These predictions highlight the importance of cobamide and cobamide precursor salvaging as examples of nutritional dependencies in bacteria.

Abstract Soil microbial communities perform critical ecosystem services through the collective metabolic activities of numerous individual organisms. Most microbes use corrinoids, a structurally diverse family of cofactors related to vitamin B12. Corrinoid structure influences the growth of individual microbes, yet how these growth responses scale to the community level remains unknown. Analysis of metagenome-assembled genomes suggests that corrinoids are supplied to the community by members of the archaeal and bacterial phyla Thermoproteota, Actinobacteria, and Proteobacteria. Corrinoids were found largely adhered to the soil matrix in a grassland soil, at levels exceeding those required by cultured bacteria. Enrichment cultures and soil microcosms seeded with different corrinoids showed distinct shifts in bacterial community composition, supporting the hypothesis that corrinoid structure can shape communities. Environmental context influenced both community- and taxon-specific responses to specific corrinoids. These results implicate corrinoids as key determinants of soil microbiome structure and suggest that environmental micronutrient reservoirs promote community stability.

Abstract The vitamin B 12 family of cofactors known as cobamides are essential for a variety of microbial metabolisms. We used comparative genomics of 11,000 bacterial species to analyze the extent and distribution of cobamide production and use across bacteria. We find that 86% of bacteria in this data set have at least one of 15 cobamide-dependent enzyme families, yet only 37% are predicted to synthesize cobamides de novo . The distribution of cobamide biosynthesis varies at the phylum level, with 57% of Actinobacteria, 45% of Proteobacteria, and 30% of Firmicutes, and less than 1% of Bacteroidetes containing the complete biosynthetic pathway. Cobamide structure could be predicted for 58% of cobamide-producing species, based on the presence of signature lower ligand biosynthesis and attachment genes. Our predictions also revealed that 17% of bacteria that have partial biosynthetic pathways, yet have the potential to salvage cobamide precursors. These include a newly defined, experimentally verified category of bacteria lacking the first step in the biosynthesis pathway. These predictions highlight the importance of cobamide and cobamide precursor crossfeeding as examples of nutritional dependencies in bacteria.

ABSTRACT Soil microbial communities impact carbon sequestration and release, biogeochemical cycling, and agricultural yields. These global effects rely on metabolic interactions that modulate community composition and function. However, the physicochemical and taxonomic complexity of soil and the scarcity of available isolates for phenotypic testing are significant barriers to studying soil microbial interactions. Corrinoids—the vitamin B 12 family of cofactors—are critical for microbial metabolism, yet they are synthesized by only a subset of microbiome members. Here, we evaluated corrinoid production and dependence in soil bacteria as a model to investigate the ecological roles of microbes involved in metabolic interactions. We isolated and characterized a taxonomically diverse collection of 161 soil bacteria from a single study site. Most corrinoid-dependent bacteria in the collection prefer B 12 over other corrinoids, while all tested producers synthesize B 12 , indicating metabolic compatibility between producers and dependents in the collection. Furthermore, a subset of producers release B 12 at levels sufficient to support dependent isolates in laboratory culture at estimated ratios of up to 1,000 dependents per producer. Within our isolate collection, we did not find strong phylogenetic patterns in corrinoid production or dependence. Upon investigating trends in the phylogenetic dispersion of corrinoid metabolism categories across sequenced bacteria from various environments, we found that these traits are conserved in 47 out of 85 genera. Together, these phenotypic and genomic results provide evidence for corrinoid-based metabolic interactions among bacteria and provide a framework for the study of nutrient-sharing ecological interactions in microbial communities.

Soil microbial communities perform critical ecosystem services through the collective metabolic activities of numerous individual organisms. Most microbes use corrinoids, a structurally diverse family of cofactors related to vitamin B

Abstract Bacteria encounter chemically similar nutrients in their environment that impact their growth in distinct ways. Among such nutrients are cobamides, the structurally diverse family of cofactors related to vitamin B 12 (cobalamin), which function as cofactors for diverse metabolic processes. Given that different environments contain varying abundances of different cobamides, bacteria are likely to encounter cobamides that enable them to grow robustly as well as those that do not function efficiently for their metabolism. Here, we performed a laboratory evolution of a cobamide-dependent strain of Escherichia coli with pseudocobalamin (pCbl), a cobamide that E. coli uses less effectively than cobalamin for MetH-dependent methionine synthesis, to identify genetic adaptations that lead to improved growth with less-preferred cobamides. After propagating and sequencing nine independent lines and validating the results by constructing targeted mutations, we found that mutations that increase expression of the outer membrane cobamide transporter BtuB are beneficial during growth under cobamide-limiting conditions. Unexpectedly, we also found that overexpression of the cobamide adenosyltransferase BtuR confers a specific growth advantage in pCbl. Characterization of the latter phenotype revealed that BtuR and adenosylated cobamides contribute to optimal MetH-dependent growth. Together, these findings improve our understanding of how bacteria expand their cobamide-dependent metabolic potential. Importance In nature, bacteria commonly experience fluctuations in the availability of required nutrients. Thus, their environment often contains nutrients that are insufficient in quantity or that function poorly in their metabolism. Cobamides, the vitamin B 12 family of cofactors, are ideal for investigating the influence of nutrient quality on bacterial growth. We performed a laboratory evolution experiment in E. coli with a less-preferred cobamide to examine whether and how bacteria can improve their growth with less ideal nutrients. We found that overexpression of genes for cobamide uptake and modification are genetic adaptations that improve growth under these conditions. Given that cobamides are key shared metabolites in microbial communities, our results reveal insights into bacterial interactions and competition for nutrients.

Abstract In bacteria, many essential metabolic processes are controlled by riboswitches, gene regulatory RNAs that directly bind and detect metabolites. Highly specific effector binding enables riboswitches to respond to a single biologically relevant metabolite. Cobalamin riboswitches are a potential exception because over a dozen chemically similar but functionally distinct cobalamin variants (corrinoid cofactors) exist in nature. Here, we measured cobalamin riboswitch activity in vivo using a Bacillus subtilis fluorescent reporter system and found that among 38 tested riboswitches, a subset responded to corrinoids promiscuously, while others were semi-selective. Analyses of chimeric riboswitches and structural models indicate that, unlike other riboswitch classes, cobalamin riboswitches indirectly differentiate among corrinoids by sensing differences in their structural conformation. This regulatory strategy aligns riboswitch-corrinoid specificity with cellular corrinoid requirements in a B. subtilis model. Thus, bacteria can employ broadly sensitive riboswitches to cope with the chemical diversity of essential metabolites.

Abstract The beneficial human gut bacterium Akkermansia muciniphila provides metabolites to other members of the gut microbiota by breaking down host mucin, but most of its other metabolic functions have not been investigated. A. muciniphila is known to use cobamides, the vitamin B 12 family of cofactors with structural diversity in the lower ligand, though the specific cobamides it can use have not been examined. We found that growth of A. muciniphila strain Muc T was nearly identical with each of seven cobamides tested, in contrast to nearly all bacteria that have been studied. Unexpectedly, this promiscuity is due to cobamide remodeling – the removal and replacement of the lower ligand – despite the absence of the canonical remodeling enzyme CbiZ in A. muciniphila . We identified a novel enzyme, CbiR, that is capable of initiating the remodeling process by hydrolyzing the phosphoribosyl bond in the nucleotide loop of cobamides. CbiR does not share homology with other cobamide remodeling enzymes or B 12 -binding domains, and instead is a member of the AP endonuclease 2 enzyme superfamily. We speculate that CbiR enables bacteria to repurpose cobamides they otherwise cannot use in order to grow under a cobamide-requiring condition; this function was confirmed by heterologous expression of cbiR in E. coli . Homologs of CbiR are found in over 200 microbial taxa across 22 phyla, suggesting that many bacteria may use CbiR to gain access to the diverse cobamides present in their environment. Importance Cobamides, the vitamin B 12 family of cobalt-containing cofactors, are required for metabolism in all domains of life, including most bacteria. Cobamides have structural variability in the lower ligand, and selectivity for particular cobamides has been observed in most organisms studied to date. Here, we discover that the beneficial human gut bacterium Akkermansia muciniphila can use a diverse range of cobamides due to its ability to change the cobamide structure via “cobamide remodeling”. We identify and characterize the novel enzyme CbiR that is necessary for initiating the cobamide remodeling process. The discovery of this enzyme has implications not only for understanding the ecological role of A. muciniphila in the gut, but for other bacteria that carry this enzyme as well.