Cultured soil microorganisms have provided a rich source of natural-product chemistry. Because only a tiny fraction of soil microbes from soil are readily cultured, soil might be the greatest untapped resource for novel chemistry. The concept of cloning the metagenome to access the collective genomes and the biosynthetic machinery of soil microflora is explored here.

ABSTRACT Recent progress in molecular microbial ecology has revealed that traditional culturing methods fail to represent the scope of microbial diversity in nature, since only a small proportion of viable microorganisms in a sample are recovered by culturing techniques. To develop methods to investigate the full extent of microbial diversity, we used a bacterial artificial chromosome (BAC) vector to construct libraries of genomic DNA isolated directly from soil (termed metagenomic libraries). To date, we have constructed two such libraries, which contain more than 1 Gbp of DNA. Phylogenetic analysis of 16S rRNA gene sequences recovered from one of the libraries indicates that the BAC libraries contain DNA from a wide diversity of microbial phyla, including sequences from diverse taxa such as the low-G+C, gram-positive Acidobacterium , Cytophagales , and Proteobacteria . Initial screening of the libraries in Escherichia coli identified several clones that express heterologous genes from the inserts, confirming that the BAC vector can be used to maintain, express, and analyze environmental DNA. The phenotypes expressed by these clones include antibacterial, lipase, amylase, nuclease, and hemolytic activities. Metagenomic libraries are a powerful tool for exploring soil microbial diversity, providing access to the genetic information of uncultured soil microorganisms. Such libraries will be the basis of new initiatives to conduct genomic studies that link phylogenetic and functional information about the microbiota of environments dominated by microorganisms that are refractory to cultivation.

High resolution structures for the complexes formed by the immunosuppressive agents FK506 and rapamycin with the human immunophilin FKBP-12 have been determined by X-ray diffraction. FKBP-12 has a novel fold comprised of a five-stranded β-sheet wrapping around a short α-helix with an overall conical shape. Both FK506 and rapamycin bind in the cavity defined by the β-sheet, α-helix and three loops. Both FK506 and rapamycin bind in similar fashions with a set of hydrogen bonds and an unusual carbonyl binding pocket. Bound FK506 has different conformation than free (crystalline) FK506 while rapamycin's bound conformation is virtually identical to that of unbound rapamycin. FKBP-12 is a peptidyl-prolyl isomerase (PPIase), and the structures of the complexes suggest ways in which this catalytic activity could operate. The different complexes are active in suppressing different steps of T cell activation, an activity seemingly unconnected with the PPIase activity.

Although biosynthetic gene clusters (BGCs) have been discovered for hundreds of bacterial metabolites, our knowledge of their diversity remains limited. Here, we used a novel algorithm to systematically identify BGCs in the extensive extant microbial sequencing data. Network analysis of the predicted BGCs revealed large gene cluster families, the vast majority uncharacterized. We experimentally characterized the most prominent family, consisting of two subfamilies of hundreds of BGCs distributed throughout the Proteobacteria; their products are aryl polyenes, lipids with an aryl head group conjugated to a polyene tail. We identified a distant relationship to a third subfamily of aryl polyene BGCs, and together the three subfamilies represent the largest known family of biosynthetic gene clusters, with more than 1,000 members. Although these clusters are widely divergent in sequence, their small molecule products are remarkably conserved, indicating for the first time the important roles these compounds play in Gram-negative cell biology.

Identifying the molecular targets for the beneficial or detrimental effects of small-molecule drugs is an important and currently unmet challenge. We have developed a method, drug affinity responsive target stability (DARTS), which takes advantage of a reduction in the protease susceptibility of the target protein upon drug binding. DARTS is universally applicable because it requires no modification of the drug and is independent of the mechanism of drug action. We demonstrate use of DARTS to identify known small-molecule–protein interactions and to reveal the eukaryotic translation initiation machinery as a molecular target for the longevity-enhancing plant natural product resveratrol. We envisage that DARTS will also be useful in global mapping of protein–metabolite interaction networks and in label-free screening of unlimited varieties of compounds for development as molecular imaging agents.

Biofilm Today, Gone Tomorrow Most bacteria can form complex, matrix-containing multicellular communities known as biofilms, which protect residents from environmental stresses such as antibiotic exposure. However, as biofilms age, nutrients become limiting and waste products accumulate, and biofim disassembly is triggered. Now Kolodkin-Gal et al. (p. 627 ) have found that d -amino acids found in conditioned medium from mature biofilms of Bacillus subtilis prevent biofilm formation and trigger existing biofilm disassembly.

The gut microbiota affects many important host functions, including the immune response and the nervous system1. However, while substantial progress has been made in growing diverse microorganisms of the microbiota2, 23–65% of species residing in the human gut remain uncultured3,4, which is an obstacle for understanding their biological roles. A likely reason for this unculturability is the absence in artificial media of key growth factors that are provided by neighbouring bacteria in situ5,6. In the present study, we used co-culture to isolate KLE1738, which required the presence of Bacteroides fragilis to grow. Bioassay-driven purification of B. fragilis supernatant led to the isolation of the growth factor, which, surprisingly, is the major inhibitory neurotransmitter GABA (γ-aminobutyric acid). GABA was the only tested nutrient that supported the growth of KLE1738, and a genome analysis supported a GABA-dependent metabolism mechanism. Using growth of KLE1738 as an indicator, we isolated a variety of GABA-producing bacteria, and found that Bacteroides ssp. produced large quantities of GABA. Genome-based metabolic modelling of the human gut microbiota revealed multiple genera with the predicted capability to produce or consume GABA. A transcriptome analysis of human stool samples from healthy individuals showed that GABA-producing pathways are actively expressed by Bacteroides, Parabacteroides and Escherichia species. By coupling 16S ribosmal RNA sequencing with functional magentic resonance imaging in patients with major depressive disorder, a disease associated with an altered GABA-mediated response, we found that the relative abundance levels of faecal Bacteroides are negatively correlated with brain signatures associated with depression. A bacterial strain that requires the neurotransmitter GABA for growth was identified and used to isolate GABA-producing bacteria, including Bacteroides spp., from human stool samples; the relative abundance of Bacteroides was negatively correlated with an altered GABA-mediated response in a depression patient cohort.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVArticleNEXTOkadaic acid, a cytotoxic polyether from two marine sponges of the genus HalichondriaKazuo Tachibana, Paul J. Scheuer, Yasumasa Tsukitani, Hiroyuki Kikuchi, Donna Van Engen, Jon Clardy, Yalamanchili Gopichand, and Francis J. SchmitzCite this: J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 9, 2469–2471Publication Date (Print):May 1, 1981Publication History Published online1 May 2002Published inissue 1 May 1981https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja00399a082https://doi.org/10.1021/ja00399a082research-articleACS PublicationsRequest reuse permissionsArticle Views1648Altmetric-Citations637LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-AlertscloseSupporting Info (1)»Supporting Information Supporting Information Get e-Alerts

A wide variety of enzymatic pathways that produce specialized metabolites in bacteria, fungi and plants are known to be encoded in biosynthetic gene clusters. Information about these clusters, pathways and metabolites is currently dispersed throughout the literature, making it difficult to exploit. To facilitate consistent and systematic deposition and retrieval of data on biosynthetic gene clusters, we propose the Minimum Information about a Biosynthetic Gene cluster (MIBiG) data standard.

The structure of the human FK506 binding protein (FKBP), complexed with the immunosuppressant FK506, has been determined to 1.7 angstroms resolution by x-ray crystallography. The conformation of the protein changes little upon complexation, but the conformation of FK506 is markedly different in the bound and unbound forms. The drug's association with the protein involves five hydrogen bonds, a hydrophobic binding pocket lined with conserved aromatic residues, and an unusual carbonyl binding pocket. The nature of this complex has implications for the mechanism of rotamase catalysis and for the biological actions of FK506 and rapamycin.