The Baltic Sea basins, some of which only submerged in the mid-Holocene, preserve Stone Age structures that did not survive on land. Yet, the discovery of these features is challenging and requires cross-disciplinary approaches between archeology and marine geosciences. Here, we combine shipborne and autonomousunderwater vehicle hydroacoustic data with up to a centimeter range resolution, sedimentological samples, and optical images to explore a Stone Age megastructure located in 21 m water depth in the Bay of Mecklenburg, Germany. The structure is made of 1,673 individual stones which are usually less than 1 m in height, placed side by side over a distance of 971 m in a way that argues against a natural origin by glacial transport or ice push ridges. Running adjacent to the sunken shoreline of a paleolake (or bog), whose youngest phase was dated to 9,143 ±36 ka B.P., the stonewall was likely used for hunting the Eurasian reindeer (Rangifer tarandus) during the Younger Dryas or early Pre-Boreal. It was built by hunter-gatherer groups that roamed the region after the retreat of the Weichselian Ice Sheet. Comparable Stone Age megastructures have become known worldwide in recent times but are almost unknown in Europe. The site represents one of the oldest documented man-made hunting structures on Earth, and ranges among the largest known Stone Age structure in Europe. It will become important for understanding subsistence strategies, mobility patterns, and inspire discussions concerning the territorial development in the Western Baltic Sea region.

Abstract In cyanobacteria DNA supercoiling varies over the diurnal light/dark cycle and is integrated with temporal programs of transcription and replication. We manipulated DNA supercoiling in Synechocystis sp. PCC 6803 by CRISPRi-based knock-down of gyrase subunits and overexpression of topoisomerase I (TopoI), and characterized the phenotypes. Cell division was blocked, most likely due to inhibition of genomic but not plasmid DNA replication. Cell growth continued to 4-5x of the wildtype cell volume, and metabolic flux was redirected towards glycogen in the TopoI overexpression strain. TopoI induction initially lead to down-regulation of GC-rich and up-regulation of AT-rich genes. The response quickly bifurcated and four diurnal co-expression cohorts (dawn, noon, dusk and night) all responded differently, in part with a circadian ( ≈ 24 h) pattern. A GC-rich region − 50 bp of transcription start sites is differentially enriched in these four cohorts. We suggest a model where energy- and gyrase-gated transcription of growth genes at the dark/light transition (dawn) generates DNA supercoiling which then facilitates DNA replication and initiates the diurnal transcriptome program.

ABSTRACT Co-evolution of bacterial defense systems and phage counter defense mechanisms has resulted in an intricate biological interplay between bacteriophages and their prey. To evade nuclease-based mechanisms targeting the DNA, various bacteriophages modify their nucleobases, which impedes or even inhibits recognition by endonucleases. We found that Shewanella phage Thanatos-1 DNA is insensitive to multiple restriction enzymes and, partially, also to Cas I-Fv and Cas9 cleavage. Furthermore, the phage genome shows strongly impaired basecalling with nanopore sequencing. We characterised the phage adenine methyltransferase TH1_126 in methylase-free E. coli ER3413 and derived and confirmed its recognition motif 5’-ATC-3’. Moreover, the data pointed to an additional, much more substantial nucleobase modification. Using LC-MS, we identified a deoxypentose of unknown configuration attached to cytosine as a yet undiscovered phage DNA modification, which is present in Thanatos-1 genomic DNA, likely mediates the observed resistance to restriction endonucleases, as well as a strong reduction in Cas nuclease activity. To elucidate the underlying enzyme functions, we determined structural homologs of Thanatos-1 proteins among known glycosyltransferase folds and experimentally proved a UDP-xylose pyrophosphorylase function of phage protein TH1_063 by in vitro enzyme assays.

Abstract Viruses have long been viewed as entities possessing extremely limited metabolic capacities. Over the last decade, however, this view has been challenged, as metabolic genes have been identified in viruses possessing large genomes and virions—the synthesis of which is energetically demanding. Here, we unveil peculiar phenotypic and genomic features of Prymnesium kappa virus RF01 (PkV RF01), a giant virus of the Mimiviridae family. We found that this virus encodes an unprecedented number of proteins involved in energy metabolism, such as all four succinate dehydrogenase (SDH) subunits (A–D) as well as key enzymes in the β -oxidation pathway. The SDHA gene was transcribed upon infection, indicating that the viral SDH is actively used by the virus— potentially to modulate its host’s energy metabolism. We detected orthologous SDHA and SDHB genes in numerous genome fragments from uncultivated marine Mimiviridae viruses, which suggests that the viral SDH is widespread in oceans. PkV RF01 was less virulent compared with other cultured prymnesioviruses, a phenomenon possibly linked to the metabolic capacity of this virus and suggestive of relatively long co-evolution with its hosts. It also has a unique morphology, compared to other characterized viruses in the Mimiviridae family. Finally, we found that PkV RF01 is the only alga-infecting Mimiviridae virus encoding two aminoacyl-tRNA synthetases and enzymes corresponding to an entire base-excision repair pathway, as seen in heterotroph-infecting Mimiviridae . These Mimiviridae encoded-enzymes were found to be monophyletic and branching at the root of the eukaryotic tree of life. This placement suggests that the last common ancestor of Mimiviridae was endowed with a large, complex genome prior to the divergence of known extant eukaryotes. Importance Viruses on Earth are tremendously diverse in terms of morphology, functionality, and genomic composition. Over the last decade, the conceptual gap separating viruses and cellular life has tightened because of the detection of metabolic genes in viral genomes that express complex virus phenotypes upon infection. Here, we describe Prymnesium kappa virus RF01, a large alga-infecting virus with a unique morphology, an atypical infection profile, and an unprecedented number of genes involved in energy metabolism (such as the tricarboxylic (TCA) cycle and the β -oxidation pathway). Moreover, we show that the gene corresponding to one of these enzymes (the succinate dehydrogenase subunit A) is transcribed during infection and is widespread among marine viruses. This discovery provides evidence that a virus has the potential to actively regulate energy metabolism with its own gene.

Bacterial viruses (phages) are potent agents of lateral gene transfer and thus are important drivers of evolution. A group of mobile genetic elements (MGEs), referred to as phage satellites, exploit phages to disseminate their own genetic material. Here we isolated a novel member of the genus Inovirus, Shewanella phage Dolos, along with an autonomous rolling circle-replicating plasmid, pDolos. Dolos causes a chronic infection in its host Shewanella oneidensis by phage production with only minor effects on the host cell proliferation. When present, plasmid pDolos hijacks Dolos functions to be predominantly packaged into phage virions and released into the environment. pDolos can disseminate further genetic material encoding, e.g., resistances, fluorophores, and metabolically active proteins, to host cells sensitive to Dolos infection. Given the rather simple requirements of a plasmid for takeover of an inovirus, the wide distribution of phages of this group and the broad spectrum of rolling circle-replicating plasmids, we speculate that similar phage-satellite systems are common among bacteria.

Monitoring DNA integrity and DNA contaminants in adeno-associated virus (AAV) gene therapy vectors is of major interest, because of clinical applications with increasing therapeutic doses. We here report direct, amplification-free nanopore sequencing of single-stranded AAV DNA using a rapid transposase-based protocol. Direct sequencing of bacteriophage M13 single-stranded DNA supports the finding that single-stranded DNA in general is amenable to direct transposase-based library generation, albeit with increased insertion bias. Sequencing AAV DNA from purified viral particles readily covered the otherwise notoriously difficult to sequence inverted terminal repeats and revealed single-nucleotide variants across the transgene cassette. Significant methylation of the packaged DNA was not identified. Furthermore, nanopore sequencing provided long reads up to full genome coverage and enabled detection of a priori unknown packaged DNA, which sets it apart from short read techniques or qPCR. Long reads directly revealed packaging of two fused genomes and fusions of a genome to the plasmid backbone. Preferred packaging of distinct forms of backbone DNA from producer plasmids, caused by a so far unknown mechanism, were uncovered. The findings promote direct nanopore sequencing as a fast and versatile platform for AAV vector characterization in research and clinical settings even on single-stranded DNA viruses.