ABSTRACT Saccharibacteria Nanosynbacter lyticus strain TM7x is a member of the broadly distributed Candidate Phylum Radiation. These bacteria have ultrasmall cell size, reduced genomes and live as epibionts on the surface of other bacteria. The mechanisms by which they establish and maintain this relationship are not yet fully understood. The transcriptomes of the epibiont TM7x and its host bacteria Schaalia odontolyticus strain XH001 were captured across the establishment of symbiosis during both the initial interaction and stable symbiosis. The results showed a dynamic interaction with large shifts in gene expression for both species between the initial encounter and stable symbiosis, notably transporter genes. During stable symbiosis, the host XH001 showed higher gene expression for peptidoglycan biosynthesis, mannosylation, cell cycle and stress related genes, but lower expression of chromosomal partitioning genes. This was consistent with the elongated cell shape seen in XH001 infected with TM7x and our discovery that infection resulted in thickened cell walls. Within TM7x, increased pili, type IV effector gene, and arginine catabolism/biosynthesis gene expression during stable symbiosis implied a key role for these functions in the interaction. Consistent with its survival and persistence in the human microbiome as an obligate epibiont with reduced de novo biosynthetic capacities, TM7x also showed higher levels for energy production and peptidoglycan biosynthesis but lower expression of stress related genes during stable symbiosis. These results imply that TM7x and its host bacteria keep a delicate balance in order to sustain an episymbiotic lifestyle. IMPORTANCE Nanosynbacter lyticus type strain TM7x is the first cultivated member of the Saccharibacteria and the Candidate Phyla Radiation (CPR). It was discovered to have ultrasmall cell size with a highly reduced genome that establishes an obligate epibiotic relationship with its host bacterium. The CPR, now formally proposed as the Patescibacteria super-phylum, is a large monophyletic radiation of diverse bacteria with reduced genomes that includes Saccharibacteria. The vast majority of the CPR have yet to be cultivated in the laboratory and our insights into these unique organisms to date has been derived from only a few Saccharibacteria species. It is unknown however how these small obligate parasitic Saccharibacteria, that are missing many de novo biosynthetic pathways, are maintained at high prevalence within the human microbiome as well as in the environment. When TM7x infects its host bacterium there are distinct temporal phases, including an initial interaction, a killing phase, recovery phase, and finally stable symbiosis. Here we captured the gene expression of the host bacterium and epibiont during this dynamic interaction which represents the initial insights into the mechanisms of how these unique microbes may survive and persist.

Saccharibacteria (formerly TM7) Nanosynbacter lyticus type strain TM7x exhibits a remarkably compact genome and an extraordinarily small cell size. This obligate epibiotic parasite forms a symbiotic relationship with its bacterial host, Schaalia odontolytica, strain XH001 (formerly Actinomyces odontolyticus strain XH001). Due to its limited genome size, TM7x possesses restrained metabolic capacities, predominantly living on the surface of its bacterial host to sustain this symbiotic lifestyle. To comprehend this intriguing, yet understudied interspecies interaction, a thorough understanding of the physical interaction between TM7x and XH001 is imperative. In this study, we employed super-resolution fluorescence imaging to investigate the physical association between TM7x and XH001. We found that the binding with TM7x led to a substantial alteration in the membrane fluidity of the host bacterium XH001. Unexpectedly, we revealed the formation of intracellular lipid droplets in XH001 when forming episymbiosis with TM7x, a feature not commonly observed in oral bacteria cells. The TM7x-induced LD accumulation in XH001 was further confirmed by label-free non-invasive Raman spectroscopy, which also unveiled additional phenotypical features when XH001 cells are physically associated with TM7x. Further exploration through culturing host bacterium XH001 alone under various stress conditions showed that LD accumulation was a general response to stress. Intriguingly, a survival assay demonstrated that the presence of LDs likely plays a protective role in XH001, enhancing its overall survival under adverse conditions. In conclusion, our study sheds new light on the intricate interaction between Saccharibacteria and its host bacterium, highlighting the potential benefit conferred by TM7x to its host, and further emphasizing the context-dependent nature of symbiotic relationships.

Background. Bacteria of the Candidate Phyla Radiation (CPR), constituting about 25% of the bacterial biodiversity, are characterized by small cell size and patchy genomes without complete key metabolic pathways, suggesting a symbiotic lifestyle. Gracilibacteria (BD1-5), which are part of the CPR branch, possess alternate coded genomes and have not yet been cultivated. However, besides genomic evidence, little is known about the lifestyle of Gracilibacteria, their temporal dynamics, and activity in natural ecosystems, particularly in groundwater, where they were initially been genomically resolved. Therefore, we here aimed to investigate Gracilibacteria activity in situ and to discern expressed genes involved in their lifestyle, using the metaproteogenome of Gracilibacteria as a function of time in the cold-water geyser Wallender Born in the Volcanic Eifel region in Germany. Results. We coupled genome-resolved metagenomics and metaproteomics to investigate a cold-water geyser microbial community enriched in Gracilibacteria across a 12-day time-series. Groundwater was collected and sequentially filtered to fraction CPR and other bacteria. Based on 670 Gbps of metagenomic data, 1129 different ribosomal protein S3 marker genes and 751 high-quality genomes (123 population genomes after dereplication), we identified dominant bacteria belonging to Galionellales and Gracilibacteria along with keystone microbes, which were low in genomic abundance but substantially contributing to proteomic abundance. Seven high-quality Gracilibacteria genomes showed typical limitations, such as limited amino acid or nucleotide synthesis, in their central metabolism but no co-occurrence with potential hosts. The genomes of these Gracilibacteria encoded for a high number of proteins related to a symbiotic or even predatory lifestyle, e.g., type IV and type II secretion system subunits and features related to cell-cell interactions and cell motility, which were also detected on protein level. Conclusions. Coupling metagenomics to metaproteomics enabled us to identify microbial keystone taxa in a high-CO2 aquifer, and to reveal microbial dynamics of Gracilibacteria. We posit that Gracilibacteria might be successful microbial predators in this ecosystem, potentially aiding in population control of this highly perturbed microbial geyser community from the deep biosphere.

Abstract The human oral and nasal cavities can act as reservoirs for opportunistic pathogens capable of causing acute infection. These microbes asymptomatically colonize the human oral and nasal cavities which facilitates transmission within human populations via the environment, and they routinely possess a clinically-significant antibiotic-resistance genes. Among these opportunistic pathogens, the Klebsiella genus stands out as a notable example, with its members frequently linked to nosocomial infections and multidrug resistance. As with many colonizing opportunistic pathogens, how Klebsiella transitions from an asymptomatic colonizer to a pathogen remains unclear. Here, we explored a possible explanation by investigating the ability of oral and nasal Klebsiella to outcompete their native microbial community members under in vitro starvation conditions, which could be analogous to external hospital environments. When Klebsiella was present within a healthy human oral or nasal sample, the bacterial community composition shifted dramatically under starvation conditions and typically became dominated by Klebsiella . Furthermore, introducing K. pneumoniae exogenously into a native microbial community lacking K. pneumoniae , even at low inoculum, led to repeated dominance under starvation. K.pneumoniae strains isolated from healthy individuals’ oral and nasal cavities also exhibited resistance to multiple classes of antibiotics and were genetically similar to clinical and gut isolates. In addition, we found that in the absence of Klebsiella , other understudied opportunistic pathogens, such as Peptostreptococcus , dominate under starvation conditions. Our findings establish an environmental circumstance that allows for the outgrowth of Klebsiella and other opportunistic pathogens. The ability to outcompete other commensal bacteria and to persist under harsh environmental conditions may contribute to the colonization-to-infection transition of these opportunistic pathogens.

ABSTRACT Within human microbiomes, Gracilibacteria, Absconditabacteria, and Saccharibacteria, members of Candidate Phyla Radiation (CPR), are increasingly correlated with human oral health and disease. We profiled the diversity of CRISPR-Cas systems in the genomes of these bacteria and sought phages that are capable of infecting them by comparing their spacer inventories to large phage sequence databases. Gracilibacteria and Absconditabacteria recode the typical TGA stop codon to glycine and are infected by phages that share their host’s alternate genetic code. Unexpectedly, however, other predicted phages of Gracilibacteria and Absconditabacteria do not use an alternative genetic code. Some of these phages are predicted to infect both alternatively coded CPR bacteria and standard coded bacteria. These phages rely on other stop codons besides TGA, and thus should be capable of producing viable gene products in either bacterial host type. Interestingly, we predict that phages of Saccharibacteria can replicate in Actinobacteria, which have been shown to act as episymbiotic hosts for Saccharibacteria. Overall, the broad host range of some CPR phages may be advantageous for the production of these phages for microscopic characterization or use as therapy agents, given the current difficulty of CPR cultivation. Absconditabacteria phages and Gracilibacteria phages may have avoided acquisition of in-frame stop codons to increase the diversity of bacteria in which they can replicate.

ABSTRACT Nanosynbacter sp. strain BB002, was isolated from the human oral cavity on its basibiont bacterial host Actinomyces sp. oral taxon 171 strain F0337, related to Actinomyces oris . As a member of the Saccharibacteria within the candidate phylum radiation group (CPR), its reduced genome facilitates the survival as an ultrasmall (<0.2 μm) epibiont.

Recently, we discovered that a member of the Saccharibacteria/TM7 phylum (strain TM7x) isolated from the human oral cavity, has an ultra-small cell size (200-300nm), a highly reduced genome (705 Kbp) with limited de novo biosynthetic capabilities, and a very novel lifestyle as an obligate epibiont on the surface of another bacterium. There has been considerable interest in uncultivated phyla, particularly those that are now classified as the proposed candidate phyla radiation (CPR) reported to include 35 or more phyla and are estimated to make up nearly 15% of the domain Bacteria. Most members of the larger CPR group share genomic properties with Saccharibacteria including reduced genomes (<1Mbp) and lack of biosynthetic capabilities, yet to date, strain TM7x represents the only member of the CPR that has been cultivated and is one of only three CPR routinely detected in the human body. Through small subunit ribosomal RNA (SSU rRNA) gene surveys, members of the Saccharibacteria phylum are reported in many environments as well as within a diversity of host species and have been shown to increase dramatically in human oral and gut diseases. With a single copy of the 16S rRNA gene resolved on a few limited genomes, their absolute abundance is most often underestimated and their potential role in disease pathogenesis is therefore underappreciated. Despite being an obligate parasite dependent on other bacteria, six groups (G1- G6) are recognized using SSU rRNA gene phylogeny in the oral cavity alone. At present, only genomes from the G1 group, which includes related and remarkably syntenic environmental and human oral associated representatives, have been uncovered to date. In this study we systematically captured the spectrum of known diversity in this phylum by reconstructing completely novel Class level genomes belonging to groups G3, G6 and G5 through cultivation enrichment and/or metagenomic binning from humans and mammalian rumen. Additional genomes for representatives of G1 were also obtained from modern oral plaque and ancient dental calculus. Comparative analysis revealed remarkable divergence in the host-associated members across this phylum. Within the human oral cavity alone, variation in as much as 70% of the genes from nearest oral clade (AAI 50%) as well as wide GC content variation is evident in these newly captured divergent members (G3, G5 and G6) with no environmental relatives. Comparative analyses suggest independent episodes of transmission of these TM7 groups into humans and convergent evolution of several key functions during adaptation within hosts. In addition, we provide evidence from in vivo collected samples that each of these major groups are ultra-small in size and are found attached to larger cells.

We are pleased to introduce a new series, "Innovations of Excellence, powered by ADA Forsyth," which provides a forum for brief introductions to new technologies, therapeutic approaches, and health care trends of interest to oral health clinicians and researchers-a "window" into the latest scientific discoveries.Inspired