Let There Be Life The DNA sequence information from thousands of genomes is stored digitally as ones and zeros in computer memory. Now, Gibson et al. (p. 52 , published online 20 May; see the cover; see the Policy Forum by Cho and Relman ) have brought together technologies from the past 15 years to start from digital information on the genome of Mycoplasma mycoides to chemically synthesize the genomic DNA as segments that could then be assembled in yeast and transplanted into the cytoplasm of another organism. A number of methods were also incorporated to facilitate testing and error correction of the synthetic genome segments. The transplanted genome became established in the recipient cell, replacing the recipient genome, which was lost from the cell. The reconstituted cells were able to replicate and form colonies, providing a proof-of-principle for future developments in synthetic biology.

We used whole-genome design and complete chemical synthesis to minimize the 1079-kilobase pair synthetic genome of Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0. An initial design, based on collective knowledge of molecular biology combined with limited transposon mutagenesis data, failed to produce a viable cell. Improved transposon mutagenesis methods revealed a class of quasi-essential genes that are needed for robust growth, explaining the failure of our initial design. Three cycles of design, synthesis, and testing, with retention of quasi-essential genes, produced JCVI-syn3.0 (531 kilobase pairs, 473 genes), which has a genome smaller than that of any autonomously replicating cell found in nature. JCVI-syn3.0 retains almost all genes involved in the synthesis and processing of macromolecules. Unexpectedly, it also contains 149 genes with unknown biological functions. JCVI-syn3.0 is a versatile platform for investigating the core functions of life and for exploring whole-genome design.

Understanding how complex phenotypes arise from individual molecules and their interactions is a primary challenge in biology that computational approaches are poised to tackle. We report a whole-cell computational model of the life cycle of the human pathogen Mycoplasma genitalium that includes all of its molecular components and their interactions. An integrative approach to modeling that combines diverse mathematics enabled the simultaneous inclusion of fundamentally different cellular processes and experimental measurements. Our whole-cell model accounts for all annotated gene functions and was validated against a broad range of data. The model provides insights into many previously unobserved cellular behaviors, including in vivo rates of protein-DNA association and an inverse relationship between the durations of DNA replication initiation and replication. In addition, experimental analysis directed by model predictions identified previously undetected kinetic parameters and biological functions. We conclude that comprehensive whole-cell models can be used to facilitate biological discovery.

Mycoplasma genitalium has the smallest genome of any organism that can be grown in pure culture. It has a minimal metabolism and little genomic redundancy. Consequently, its genome is expected to be a close approximation to the minimal set of genes needed to sustain bacterial life. Using global transposon mutagenesis, we isolated and characterized gene disruption mutants for 100 different nonessential protein-coding genes. None of the 43 RNA-coding genes were disrupted. Herein, we identify 382 of the 482 M. genitalium protein-coding genes as essential, plus five sets of disrupted genes that encode proteins with potentially redundant essential functions, such as phosphate transport. Genes encoding proteins of unknown function constitute 28% of the essential protein-coding genes set. Disruption of some genes accelerated M. genitalium growth.

Character Transplant When engineering bacteria, it can be advantageous to propagate the genomes in yeast. However, to be truly useful, one must be able to transplant the bacterial chromosome from yeast back into a recipient bacterial cell. But because yeast does not contain restriction-modification systems, such transplantation poses problems not encountered in transplantation from one bacterial cell to another. Bacterial genomes isolated after growth in yeast are likely to be susceptible to the restriction-modification system(s) of the recipient cell, as well as their own. Lartigue et al. (p. 1693 , published online 20 August) describe multiple steps, including in vitro DNA methylation, developed to overcome such barriers. A Mycoplasma mycoides large-colony genome was propagated in yeast as a centromeric plasmid, engineered via yeast genetic systems, and, after specific methylation, transplanted into M. capricolum to produce a bacterial cell with the genotype and phenotype of the altered M. mycoides large-colony genome.

The ongoing COVID-19 pandemic is a major public health crisis. Despite the development and deployment of vaccines against SARS-CoV-2, the pandemic persists. The continued spread of the virus is largely driven by the emergence of viral variants, which can evade the current vaccines through mutations in the Spike protein. Although these differences in Spike are important in terms of transmission and vaccine responses, these variants possess mutations in the other parts of their genome which may affect pathogenesis. Of particular interest to us are the mutations present in the accessory genes, which have been shown to contribute to pathogenesis in the host through innate immune signaling, among other effects on host machinery. To examine the effects of accessory protein mutations and other non-spike mutations on SARS-CoV-2 pathogenesis, we synthesized viruses where the WA1 Spike is replaced by each variant spike genes in a SARS-CoV-2/WA-1 infectious clone. We then characterized the in vitro and in vivo replication of these viruses and compared them to the full variant viruses. Our work has revealed that non-spike mutations in variants can contribute to replication of SARS-CoV-2 and pathogenesis in the host and can lead to attenuating phenotypes in circulating variants of concern. This work suggests that while Spike mutations may enhance receptor binding and entry into cells, mutations in accessory proteins may lead to less clinical disease, extended time toward knowing an infection exists in a person and thus increased time for transmission to occur.A hallmark of the COVID19 pandemic has been the emergence of SARS-CoV-2 variants that have increased transmission and immune evasion. Each variant has a set of mutations that can be tracked by sequencing but little is known about their affect on pathogenesis. In this work we first identify accessory genes that are responsible for pathogenesis in vivo as well as identify the role of variant spike genes on replication and disease in mice. Isolating the role of Spike mutations in variants identifies the non-Spike mutations as key drivers of disease for each variant leading to the hypothesis that viral fitness depends on balancing increased Spike binding and immuno-evasion with attenuating phenotypes in other genes in the SARS-CoV-2 genome.

Abstract Genomically minimal cells, such as JCVI-syn3.0, offer a platform to clarify genes underlying core physiological processes. While this minimal cell includes genes essential for population growth, the physiology of its single cells remained uncharacterized. To investigate striking morphological variation in JCVI-syn3.0 cells, we present an approach to characterize cell propagation and determine genes affecting cell morphology. Microfluidic chemostats allowed observation of intrinsic cell dynamics resulting in irregular morphologies. The addition of 19 genes not retained in JCVI-syn3.0 generated JCVI-syn3A, which presents significantly less morphological variation than JCVI-syn3.0. We further identified seven of these 19 genes, including two known cell division genes ftsZ and sepF and five genes of unknown function, required together to restore cell morphology and division similar to JCVI-syn1.0. This surprising result emphasizes the polygenic nature of cell morphology, as well as the importance of a Z-ring and membrane properties in the physiology of genomically minimal cells.

The virus severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2, is the causative agent of the current COVID-19 pandemic. It possesses a large 30 kilobase (kb) genome that encodes structural, non-structural, and accessory proteins. Although not necessary to cause disease, these accessory proteins are known to influence viral replication and pathogenesis. Through the synthesis of novel infectious clones of SARS-CoV-2 that lack one or more of the accessory proteins of the virus, we have found that one of these accessory proteins, ORF8, is critical for the modulation of the host inflammatory response. Mice infected with a SARS-CoV-2 virus lacking ORF8 exhibit increased weight loss and exacerbated macrophage infiltration into the lungs. Additionally, infection of mice with recombinant SARS-CoV-2 viruses encoding ORF8 mutations found in variants of concern reveal that naturally occurring mutations in this protein influence disease severity. Our studies with a virus lacking this ORF8 protein and viruses possessing naturally occurring point mutations in this protein demonstrate that this protein impacts pathogenesis.

Abstract Mycoplasmas are atypical bacteria that are obligate parasites of animals and plants. They are known for their capacity to contaminate and parasitize mammalian cell cultures, thereby offering fortuitous models to examine the host-microbe interaction. We used a near wildtype strain of the goat pathogen Mycoplasma mycoides ( Mmc ) and several minimized Mmc strains lacking genes not essential for growth in laboratory media to investigate host-mycoplasma interactions. Stains with near minimal genomes were incapable of surviving in co-culture with mammalian HEK-293T and HeLa cells. We identified a cluster of eight non-essential genes that when added back to the minimized strains enabled mycoplasma attachment to mammalian cells. Those genes did not restore the capacity of the minimal cell to grow when co-cultured with mammalian cells indicating processes of attaching to mammalian cells and parasitism involve different genes. Furthermore, minimized Mmc strains were not phagocytized by human myeloid cells unlike the near wildtype Mmc .