Abstract Secondary metabolites produced by bacteria and fungi are an important source of antimicrobials and other bioactive compounds. In recent years, genome mining has seen broad applications in identifying and characterizing new compounds as well as in metabolic engineering. Since 2011, the ‘antibiotics and secondary metabolite analysis shell—antiSMASH’ (https://antismash.secondarymetabolites.org) has assisted researchers in this, both as a web server and a standalone tool. It has established itself as the most widely used tool for identifying and analysing biosynthetic gene clusters (BGCs) in bacterial and fungal genome sequences. Here, we present an entirely redesigned and extended version 5 of antiSMASH. antiSMASH 5 adds detection rules for clusters encoding the biosynthesis of acyl-amino acids, β-lactones, fungal RiPPs, RaS-RiPPs, polybrominated diphenyl ethers, C-nucleosides, PPY-like ketones and lipolanthines. For type II polyketide synthase-encoding gene clusters, antiSMASH 5 now offers more detailed predictions. The HTML output visualization has been redesigned to improve the navigation and visual representation of annotations. We have again improved the runtime of analysis steps, making it possible to deliver comprehensive annotations for bacterial genomes within a few minutes. A new output file in the standard JavaScript object notation (JSON) format is aimed at downstream tools that process antiSMASH results programmatically.

New bioinformatic tools are needed to analyze the growing volume of DNA sequence data. This is especially true in the case of secondary metabolite biosynthesis, where the highly repetitive nature of the associated genes creates major challenges for accurate sequence assembly and analysis. Here we introduce the web tool Natural Product Domain Seeker (NaPDoS), which provides an automated method to assess the secondary metabolite biosynthetic gene diversity and novelty of strains or environments. NaPDoS analyses are based on the phylogenetic relationships of sequence tags derived from polyketide synthase (PKS) and non-ribosomal peptide synthetase (NRPS) genes, respectively. The sequence tags correspond to PKS-derived ketosynthase domains and NRPS-derived condensation domains and are compared to an internal database of experimentally characterized biosynthetic genes. NaPDoS provides a rapid mechanism to extract and classify ketosynthase and condensation domains from PCR products, genomes, and metagenomic datasets. Close database matches provide a mechanism to infer the generalized structures of secondary metabolites while new phylogenetic lineages provide targets for the discovery of new enzyme architectures or mechanisms of secondary metabolite assembly. Here we outline the main features of NaPDoS and test it on four draft genome sequences and two metagenomic datasets. The results provide a rapid method to assess secondary metabolite biosynthetic gene diversity and richness in organisms or environments and a mechanism to identify genes that may be associated with uncharacterized biochemistry.

Bacterial specialized metabolites are a proven source of antibiotics and cancer therapies, but whether we have sampled all the secondary metabolite chemical diversity of cultivated bacteria is not known. We analysed ~ 170,000 bacterial genomes and ~ 47,000 metagenome assembled genomes (MAGs) using a modified BiG-SLiCE and the new clust-o-matic algorithm. We found that only 3% of the natural products potentially encoded in bacterial genomes have been experimentally characterized. We show that the variation of secondary metabolite biosynthetic diversity drops significantly at the genus level, identifying it as an appropriate taxonomic rank for comparison. Equal comparison of genera based on Relative Evolutionary Distance revealed that Streptomyces bacteria encode the largest biosynthetic diversity by far, with Amycolatopsis, Kutzneria and Micromonospora also encoding substantial diversity. Finally we find that several less-well-studied taxa, such as Weeksellaceae (Bacteroidota), Myxococcaceae (Myxococcota), Pleurocapsa and Nostocaceae (Cyanobacteria), have potential to produce highly diverse sets of secondary metabolites that warrant further investigation.

Abstract Antibiotics have been an essential part of modern medicine since their initial discovery. The continuous search for new antibiotic candidates remains a necessity given the increasing emergence of resistance to antimicrobial compounds among pathogens. The glycopeptide antibiotics (GPAs) represent an important group of last resort antibiotics which inhibit bacterial growth through non-covalent binding to the cell wall precursor lipid II. The so far reported GPAs exhibit an enormous diversity in the biosynthetic gene clusters that encode their production, which is in turn reflected in the variety of their structures. GPAs are typically composed of seven amino acids, which are highly crosslinked and decorated with a variable collection of sugar moieties as well as other modifications. Based on their structural characteristics, they have been classified into four main types. More recently, atypical GPAs have been identified that differ from type I-IV GPAs in both their structure and function and have consequently been classified as type V GPAs. Given these differences, we studied the phylogeny of all gene sequences related to the biosynthesis of the GPAs and observed a clear evolutionary diversification between the lipid II binding GPA classes and the so-called type V GPAs. Here we suggest the adoption of a phylogeny-driven reclassification and a separation of classical lipid II binding GPAs from type V GPAs, which we propose to identify instead as glycopeptide- related peptides (GRPs).

Abstract Microbial communities that promote plant growth show promise in reducing the impacts of climate change on plant health and productivity. Understanding microbe-microbe interactions in a community context is paramount for designing effective microbial consortia that enhance plant resilience. In this study, we investigated the dynamics of a synthetic microbial community (SynCom) assembled from Arabidopsis thaliana leaves to elucidate factors shaping community composition and stability. We found notable disparities between in vitro pairwise interactions and those inferred from correlation networks in planta . Our findings suggested that secondary metabolites, particularly antimicrobials, might mediate interactions in vitro , but fade into the background in the community context. Through co-cultivation experiments, we identified the siderophore pseudobactin as a potent antimicrobial agent against several SynCom members, but its impact on community composition in planta was negligible. Notably, dominant SynCom members, such as Pseudomonas koreensis, Flavobacterium pectinovorum , and Sporobolomyces roseus , exhibited only positive correlations, suggesting synergism based on for example exopolysaccharides and biotransformation might drive community dynamics rather than competition. Two correlations between SynCom members in the co-abundance network corresponded with their pairwise in vitro interactions, highlighting the potential for further research, and demonstrating the usefulness of correlation networks in identifying key microbe-microbe interactions. Our findings highlight the importance of considering microbiome-wide interaction studies and synthetic communities in understanding and manipulating plant microbiomes.

The metabolic intimacy of symbiosis often demands the work of specialists. Natural products and defensive secondary metabolites can drive specificity by ensuring infection and propagation across host generations. But in contrast to bacteria, little is known about the diversity and distribution of natural product biosynthetic pathways among fungi and how they evolve to facilitate symbiosis and adaptation to their host environment. In this study, we define the secondary metabolism of Escovopsis and closely related genera, members of which are specialized, diverse ascomycete fungi best known as mycoparasites of the fungal cultivars grown by fungus-growing ants. We ask how the gain and loss of various biosynthetic pathways corresponds to divergent lifestyles. Long-read sequencing allowed us to define the chromosomal features of representative Escovopsis strains, revealing highly reduced genomes (21.4-38.3 Mb) composed of 7-8 chromosomes. Escovopsis genomes are highly co-linear, with genes localizing not only in the same chromosome, but also in the same order. Macrosynteny is high within Escovopsis clades, and decreases with increasing phylogenetic distance, while maintaining a high degree of mesosynteny. To explore the evolutionary history of biosynthetic pathways in this group of symbionts relative to their encoding lineages, we performed an ancestral state reconstruction analysis, which revealed that, while many secondary metabolites are shared with non-ant associated sordariomycetes, 56 pathways are unique to the symbiotic genera. Reflecting adaptation to diverging ant agricultural systems, we observe that the stepwise acquisition of these pathways mirrors the ecological radiations of attine ants and the dynamic recruitment and replacement of their fungal cultivars. As different clades encode characteristic combinations of biosynthetic gene clusters, these delineating profiles provide important insights into the possible mechanisms underlying specificity between these symbionts and their hosts. Collectively, our findings shed light on the evolutionary dynamic nature of secondary metabolism in Escovopsis and its allies, reflecting adaptation of the symbionts to an ancient agricultural system.

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.