Abstract The reconstruction of bacterial and archaeal genomes from shotgun metagenomes has enabled insights into the ecology and evolution of environmental and host-associated microbiomes. Here we applied this approach to >10,000 metagenomes collected from diverse habitats covering all of Earth’s continents and oceans, including metagenomes from human and animal hosts, engineered environments, and natural and agricultural soils, to capture extant microbial, metabolic and functional potential. This comprehensive catalog includes 52,515 metagenome-assembled genomes representing 12,556 novel candidate species-level operational taxonomic units spanning 135 phyla. The catalog expands the known phylogenetic diversity of bacteria and archaea by 44% and is broadly available for streamlined comparative analyses, interactive exploration, metabolic modeling and bulk download. We demonstrate the utility of this collection for understanding secondary-metabolite biosynthetic potential and for resolving thousands of new host linkages to uncultivated viruses. This resource underscores the value of genome-centric approaches for revealing genomic properties of uncultivated microorganisms that affect ecosystem processes.

Recent fermentation studies have identified actinomycetes of the marine-dwelling genus Salinispora as prolific natural product producers. To further evaluate their biosynthetic potential, we sequenced the 5,183,331-bp S. tropica CNB-440 circular genome and analyzed all identifiable secondary natural product gene clusters. Our analysis shows that S. tropica dedicates a large percentage of its genome ( approximately 9.9%) to natural product assembly, which is greater than previous Streptomyces genome sequences as well as other natural product-producing actinomycetes. The S. tropica genome features polyketide synthase systems of every known formally classified family, nonribosomal peptide synthetases, and several hybrid clusters. Although a few clusters appear to encode molecules previously identified in Streptomyces species, the majority of the 17 biosynthetic loci are novel. Specific chemical information about putative and observed natural product molecules is presented and discussed. In addition, our bioinformatic analysis not only was critical for the structure elucidation of the polyene macrolactam salinilactam A, but its structural analysis aided the genome assembly of the highly repetitive slm loci. This study firmly establishes the genus Salinispora as a rich source of drug-like molecules and importantly reveals the powerful interplay between genomic analysis and traditional natural product isolation studies.

Abstract Cells of most bacterial species are around 2 µm in length, with some of the largest specimens reaching 750 µm. Using fluorescence, x-ray, and electron microscopy in conjunction with genome sequencing, we characterized Ca. Thiomargarita magnifica, a bacterium with an average cell length greater than 9,000 µm that is visible to the naked eye. We found that these cells grow orders of magnitude over theoretical limits for bacterial cell size through unique biology, display unprecedented polyploidy of more than half a million copies of a very large genome, and undergo a dimorphic life cycle with asymmetric segregation of chromosomes in daughter cells. These features, along with compartmentalization of genomic material and protein synthesis in membrane-bound organelles, indicate gain of complexity in the Thiomargarita lineage, and challenge traditional concepts of bacterial cells. One Sentence Summary Ca . T. magnifica are compartmentalized centimeter-long bacteria

Secondary metabolites are compounds not essential for an organism's development, but provide significant ecological and physiological benefits. These compounds have applications in medicine, biotechnology, and agriculture. Their production is encoded in biosynthetic gene clusters (BGCs), groups of genes collectively directing their biosynthesis. The advent of metagenomics has allowed researchers to study BGCs directly from environmental samples, identifying numerous previously unknown BGCs encoding unprecedented chemistry. Here, we present the BGC Atlas (bgc-atlas.cs.uni-tuebingen.de), a web resource that facilitates the exploration and analysis of BGC diversity in metagenomes. The BGC Atlas identifies and clusters BGCs from publicly available datasets, offering a centralized database and a web interface for metadata-aware exploration of BGCs and gene cluster families (GCFs). We analyzed over 35,000 datasets from MGnify, identifying nearly 1.8 million BGCs, which were clustered into GCFs. The analysis showed that ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) are the most abundant compound class, with most GCFs exhibiting high environmental specificity. We believe that our tool will enable researchers to easily explore and analyze the BGC diversity in environmental samples, significantly enhancing our understanding of bacterial secondary metabolites, and promote the identification of ecological and evolutionary factors shaping the biosynthetic potential of microbial communities.

Abstract Microbial genomes produced by standard single-cell amplification methods are largely incomplete. Here, we show that primary template-directed amplification (PTA), a novel single-cell amplification technique, generated nearly complete genomes from three bacterial isolate species. Furthermore, taxonomically diverse genomes recovered from aquatic and soil microbiomes using PTA had a median completeness of 81%, whereas genomes from standard multiple displacement amplification-based approaches were usually <30% complete. PTA-derived genomes also included more associated viruses and biosynthetic gene clusters.

Metabolomics is a widely used technology for obtaining direct measures of metabolic activities from diverse biological systems. However, ambiguous metabolite identifications are a common challenge and biochemical interpretation is often limited by incomplete and inaccurate genome-based predictions of enzyme activities (i.e. gene annotations). Metabolite, Annotation, and Gene Integration (MAGI) generates a metabolite-gene association score using a biochemical reaction network. This is calculated by a method that emphasizes consensus between metabolites and genes via biochemical reactions. To demonstrate the potential of this method, we applied MAGI to integrate sequence data and metabolomics data collected from Streptomyces coelicolor A3(2), an extensively characterized bacterium that produces diverse secondary metabolites. Our findings suggest that coupling metabolomics and genomics data by scoring consensus between the two increases the quality of both metabolite identifications and gene annotations in this organism. MAGI also made biochemical predictions for poorly annotated genes that were consistent with the extensive literature on this important organism. This limited analysis suggests that using metabolomics data has the potential to improve annotations in sequenced organisms and also provides testable hypotheses for specific biochemical functions. MAGI is freely available for academic use both as an online tool at https://magi.nersc.gov and with source code available at https://github.com/biorack/magi.

ABSTRACT Microbial genomes produced by single-cell amplification are largely incomplete. Here, we show that primary template amplification (PTA), a novel single-cell amplification technique, generated nearly complete genomes from three bacterial isolate species. Furthermore, taxonomically diverse genomes recovered from aquatic and soil microbiomes using PTA had a median completeness of 81%, whereas genomes from standard amplification approaches were usually <30% complete. PTA-derived genomes also included more associated viruses and biosynthetic gene clusters.