The metabolism of carbohydrate polymers drives microbial diversity in the human gut microbiota. It is unclear, however, whether bacterial consortia or single organisms are required to depolymerize highly complex glycans. Here we show that the gut bacterium Bacteroides thetaiotaomicron uses the most structurally complex glycan known: the plant pectic polysaccharide rhamnogalacturonan-II, cleaving all but 1 of its 21 distinct glycosidic linkages. The deconstruction of rhamnogalacturonan-II side chains and backbone are coordinated to overcome steric constraints, and the degradation involves previously undiscovered enzyme families and catalytic activities. The degradation system informs revision of the current structural model of rhamnogalacturonan-II and highlights how individual gut bacteria orchestrate manifold enzymes to metabolize the most challenging glycan in the human diet.

Yeasts, which have been a component of the human diet for at least 7,000 years, possess an elaborate cell wall α-mannan. The influence of yeast mannan on the ecology of the human microbiota is unknown. Here we show that yeast α-mannan is a viable food source for the Gram-negative bacterium Bacteroides thetaiotaomicron, a dominant member of the microbiota. Detailed biochemical analysis and targeted gene disruption studies support a model whereby limited cleavage of α-mannan on the surface generates large oligosaccharides that are subsequently depolymerized to mannose by the action of periplasmic enzymes. Co-culturing studies showed that metabolism of yeast mannan by B. thetaiotaomicron presents a ‘selfish’ model for the catabolism of this difficult to breakdown polysaccharide. Genomic comparison with B. thetaiotaomicron in conjunction with cell culture studies show that a cohort of highly successful members of the microbiota has evolved to consume sterically-restricted yeast glycans, an adaptation that may reflect the incorporation of eukaryotic microorganisms into the human diet. Mannan, a component of yeast cell walls, is shown to be a viable food source for Bacteroides thetaiotamicron, a dominant member of the gut microbiota, which catabolizes the mannan ‘selfishly’—countering the general assumption that multiple members of the gut microbiota take a role in, and benefit from, polysaccharide catabolism. Harry Gilbert and colleagues show that Bacteroides thetaiotaomicron, a dominant member of the human gut microbiota, can utilize α-mannose-containing complex carbohydrates derived from both host glycoproteins and yeast-derived dietary polysaccharides as a viable food source. The authors identify the genetic loci that encode the machinery that allows B. thetaiotamicron to metabolize α-mannan via large oligosaccharides that are subsequently depolymerized to mannose by the action of periplasmic enzymes. Co-culturing studies reveal a 'selfish' model for α-mannan catabolism, which runs counter to the general assumption that multiple members of the gut microbiota take a role in, and benefit from, polysaccharide catabolism. This study provides insight into how the evolution of glycan degradation in the human gut microbiota mirrors dietary changes during the course of human evolution, as yeast α-mannan has become a ubiquitous dietary component of our diet only since the acquisition of the modern human diet.

Abstract Glucocerebrosidase (GCase) is implicated in both a rare, monogenic disorder (Gaucher disease, GD) and a common, multifactorial condition (Parkinson’s disease); hence, it is an urgent therapeutic target. To identify correctors of severe protein misfolding and trafficking obstruction manifested by the pathogenic L444P-variant of GCase, we developed a suite of quantitative, high-throughput, cell-based assays. First, we labeled GCase with a small pro-luminescent HiBiT peptide reporter tag, enabling quantitation of protein stabilization in cells while faithfully maintaining target biology. TALEN-based gene editing allowed for stable integration of a single HiBiT- GBA1 transgene into an intragenic safe-harbor locus in GBA1 -knockout H4 (neuroglioma) cells. This GD cell model was amenable to lead discovery via titration-based quantitative high-throughput screening and lead optimization via structure-activity relationships. A primary screen of 10,779 compounds from the NCATS bioactive collections identified 140 stabilizers of HiBiT-GCase-L444P, including both pharmacological chaperones (ambroxol and non-inhibitory chaperone NCGC326) and proteostasis regulators (panobinostat, trans-ISRIB, and pladienolide B). Two complementary high-content imaging-based assays were deployed to triage hits: the fluorescence-quenched substrate LysoFix-GBA captured functional lysosomal GCase activity, while an immunofluorescence assay featuring antibody hGCase-1/23 provided direct visualization of GCase lysosomal translocation. NCGC326 was active in both secondary assays and completely reversed pathological glucosylsphingosine accumulation. Finally, we tested the concept of combination therapy, by demonstrating synergistic actions of NCGC326 with proteostasis regulators in enhancing GCase-L444P levels. Looking forward, these physiologically-relevant assays can facilitate the identification, pharmacological validation, and medicinal chemistry optimization of new chemical matter targeting GCase, ultimately leading to a viable therapeutic for two protein-misfolding diseases. Significance Statement Gaucher disease, the inherited deficiency of glucocerebrosidase, is caused by biallelic, loss-of-function mutations in the gene GBA1, which is also the most frequent genetic risk factor for Parkinson’s disease. While the development of small-molecule stabilizers of glucocerebrosidase is being considered for both disorders, discovery and optimization of lead compounds is limited by the lack of robust cell-based assays amenable to high-throughput screening format. We developed a comprehensive assay pipeline for preclinical discovery of glucocerebrosidase modulators and began by screening libraries enriched with bioactive compounds with known mechanisms of action. The screen identified chemical matter with established relevance to glucocerebrosidase, provided an atlas of potential new molecular targets regulating the GBA1 pathway, and produced a set of promising potential therapeutics.

Summary GlnR activates nitrogen metabolism genes under nitrogen-limited conditions whereas MtrA represses these genes under nutrient-rich conditions in Streptomyces . In this study, we compared the transcription patterns of nitrogen metabolism genes in a double deletion mutant (Δ mtrA - glnR ) lacking both mtrA and glnR and in mutants lacking either mtrA (Δ mtrA ) or glnR (Δ glnR ). The nitrogen metabolism genes were expressed similarly in Δ mtrA - glnR and Δ glnR under both nitrogen-limited and nutrient-rich conditions, with patterns distinctly different from that of Δ mtrA , suggesting a decisive role for GlnR in the control of nitrogen metabolism genes and further suggesting that regulation of these genes by MtrA is GlnR-dependent. MtrA and GlnR utilize the same binding sites upstream of nitrogen metabolism genes, and we showed stronger in vivo binding of MtrA to these sites under nutrient-rich conditions and of GlnR under nitrogen-limited conditions, consistent with the higher levels of MtrA or GlnR under those respective conditions. In addition, we showed that both mtrA and glnR are auto-regulatory. Our study provides new insights into the regulation of nitrogen metabolism genes in Streptomyces .

ABSTRACT Microorganisms can produce a vast diversity of volatile organic compounds of different chemical classes that are capable of mediating intra- and inter-kingdom interactions. In this study, we showed that the soil-dwelling bacterium Streptomyces venezuelae can produce alkaline volatiles under multiple growth conditions, which we discovered through investigation of the S. venezuelae mutant strain MU-1. Strain MU-1 has a defective morphology and exhibits a bald phenotype due to the lack of aerial mycelia and spores, as confirmed by scanning electron microscopy. Using physical barriers to separate the strains on culture plates, we determined that volatile compounds produced by wild-type S. venezuelae could rescue the phenotype of strain MU-1, and pH analysis of the growth medium indicated that these volatile compounds were alkaline. Ultra-high-performance liquid chromatography, combined with mass spectrometry analysis, showed that wild-type S. venezuelae produced abundant levels of the alkaline volatile trimethylamine (TMA) and the oxide form TMAO; however, the levels of these compounds were much lower in strain MU-1. Notably, exposure to TMA alone could rescue the phenotype of this mutant strain, restoring the production of aerial mycelia and spores. We also showed that the rescue effect by alkaline volatiles is mostly species-specific, suggesting that the volatiles may aid particular mutants or other less-fit variants of closely related species to resume normal physiological status and to compete more effectively in complex communities such as soil. Our study reveals a new and intriguing role for bacterial volatiles, including volatiles that may have toxic effects on other species. IMPORTANCE Bacterial volatiles have a wide range of biological roles at intra- or inter-kingdom levels. The impact of volatiles has mainly been observed between producing bacteria and recipient bacteria, mostly of different species. In this study, we report that the wild-type, soil-dwelling bacterium Streptomyces venezuelae , which forms aerial hypha and spores as part of its normal developmental cycle, also produces the alkaline volatile compound trimethylamine (TMA) under multiple growth conditions. We showed that the environmental dispersion of TMA produced by S. venezuelae promotes the growth and differentiation of growth-deficient mutants of the same species or other slowly growing Streptomyces bacteria, and thus aids in their survival and their ability to compete in complex environmental communities such as soil. Our novel findings suggest a potentially profound biological role for volatile compounds in the growth and survival of communities of volatile-producing Streptomyces species.

The present study aims to determine the impact of different cuff diameters on the cuff pressure of endotracheal tubes (ETTs) when the trachea is adequately sealed.

ABSTRACT Since the outbreak of COVID-19, over 200 vaccine candidates have been documented and some of them have advanced to clinical trials with encouraging results. However, the antibody persistence over 3 months post immunization and the long-term memory have been rarely reported. Here, we report that a ferritin nanoparticle based SARS-CoV-2 RBD vaccine induced in mice an efficient antibody response which lasts for at least 7 months post immunization. Significantly higher number of memory B cells were maintained and a significantly higher level of recall response was induced upon antigen challenge. Thus, we believe our current study provide the first information about the long-term antibody persistence and memory response of a COVID-19 vaccine. This information would be also timely useful for the development and evaluation of other vaccines.

Mutations in the GBA gene, which encodes the lysosomal enzyme β-glucocerebrosidase (GCase), are the most prevalent genetic susceptibility factor for Parkinson's disease (PD). However, only approximately 20% of carriers develop the disease, suggesting the presence of genetic modifiers influencing the risk of developing PD in the presence of GBA mutations. Here we screened 1,634 human transcription factors (TFs) for their effect on GCase activity in cell lysates of the human glioblastoma line LN-229, into which we introduced the pathogenic GBA L444P variant via adenine base editing. Using a novel arrayed CRISPR activation library, we uncovered 11 TFs as regulators of GCase activity. Among these, activation of MITF and TFEC increased lysosomal GCase activity in live cells, while activation of ONECUT2 and USF2 decreased it. Conversely, ablating USF2 increased GBA mRNA and led to enhanced levels of GCase protein and activity. While MITF, TFEC, and USF2 affected GBA transcription, ONECUT2 was found to control GCase trafficking by modulating the guanine exchange factors PLEKHG4 and PLEKHG4B. Hence, our study provides a systematic approach to identifying modulators of GCase activity, expands the transcriptional landscape of GBA regulation, and deepens our understanding of the mechanisms involved in influencing GCase activity.