We report the design, synthesis, and assembly of the 1.08-mega-base pair Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 genome starting from digitized genome sequence information and its transplantation into a M. capricolum recipient cell to create new M. mycoides cells that are controlled only by the synthetic chromosome. The only DNA in the cells is the designed synthetic DNA sequence, including "watermark" sequences and other designed gene deletions and polymorphisms, and mutations acquired during the building process. The new cells have expected phenotypic properties and are capable of continuous self-replication.

We recently reported the chemical synthesis, assembly, and cloning of a bacterial genome in yeast. To produce a synthetic cell, the genome must be transferred from yeast to a receptive cytoplasm. Here we describe methods to accomplish this. We cloned a Mycoplasma mycoides genome as a yeast centromeric plasmid and then transplanted it into Mycoplasma capricolum to produce a viable M. mycoides cell. While in yeast, the genome was altered by using yeast genetic systems and then transplanted to produce a new strain of M. mycoides. These methods allow the construction of strains that could not be produced with genetic tools available for this bacterium.

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 Small animal models have been a challenge for the study of SARS-CoV-2 transmission, with most investigators using golden hamsters or ferrets 1, 2 . Mice have the advantages of low cost, wide availability, less regulatory and husbandry challenges, and the existence of a versatile reagent and genetic toolbox. However, adult mice do not robustly transmit SARS-CoV-2 3 . Here we establish a model based on neonatal mice that allows for transmission of clinical SARS-CoV-2 isolates. We characterize tropism, respiratory tract replication and transmission of ancestral WA-1 compared to variants Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351), Gamma (P.1), Delta (B.1.617.2), Omicron BA.1 and Omicron BQ.1.1. We identify inter-variant differences in timing and magnitude of infectious particle shedding from index mice, both of which shape transmission to contact mice. Furthermore, we characterize two recombinant SARS-CoV-2 lacking either the ORF6 or ORF8 host antagonists. The removal of ORF8 shifts viral replication towards the lower respiratory tract, resulting in significantly delayed and reduced transmission in our model. Our results demonstrate the potential of our neonatal mouse model to characterize viral and host determinants of SARS-CoV-2 transmission, while revealing for the first time a role for an accessory protein in this context.

Societies with exposure to preindustrial diets exhibit improved markers of health. Our study used a comprehensive multi-omic approach to reveal that the gut microbiome of the Ju/'hoansi hunter-gatherers, one of the most remote KhoeSan groups, exhibit a higher diversity and richness, with an abundance of microbial species lost in the western population. The Ju/'hoansi microbiome showed enhanced global transcription and enrichment of complex carbohydrate metabolic and energy generation pathways. The Ju/'hoansi also show high abundance of short-chain fatty acids that are associated with health and optimal immune function. In contrast, these pathways and their respective species were found in low abundance or completely absent in Western populations. Amino acid and fatty acid metabolism pathways were observed prevalent in the Western population, associated with biomarkers of chronic inflammation. Our study provides the first in-depth multi-omic characterization of the Ju/'hoansi microbiome, revealing uncharacterized species and functional pathways that are associated with health.

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.

Extrapulmonary tuberculosis (EPTB) refers to a form of Tuberculosis (TB) where the infection occurs outside the lungs. Despite EPTB being a devastating disease of public health concern, it is frequently overlooked as a public health problem. This study aimed to investigate genetic diversity, identify drug-resistance mutations, and trace ongoing transmission chains.

Previously, we had developed synthetic genomics methods to assemble an infectious clone of herpes simplex virus type-1 (HSV-1). To do this, the genome was assembled from 11 separate cloned fragments in yeast using transformation associated recombination. The eleven fragments or parts spanned the 152 kb genome and recombination was achieved because of the overlapping homologous sequences between each fragment. To demonstrate the robustness of this genome assembly method for reverse genetics, we engineered different mutations that were located in distant loci on the genome and built a collection of HSV-1 genomes that contained single and different combination of mutations in 5 conserved HSV-1 genes. The five genes: UL7, UL11, UL16, UL21 and UL51 encode virion structural proteins and have varied functions in the infected cell. Each is dispensable for virus replication in cell culture, however, combinatorial analysis of deletions in the five genes revealed synthetic-lethality of some of the genetic mutations. Thus, it was discovered that any virus that carried a UL21 mutation in addition to the other gene was unable to replicate in Vero cells. Replication was restored in a complementing cell line that provided pUL21 in trans. One particular combination (UL16-UL21) was of interest because the proteins encoded by these genes are known to physically interact and are constituents of the tegument structure. Furthermore, their roles in HSV-1 infected cells are unclear. Both are dispensable for HSV-1 replication, however, in HSV-2 their mutation results in nuclear retention of assembled capsids. We thus characterized these viruses that carry the single and double mutant. What we discovered is that in cells where both pUL16 and pUL21 are absent, cytoplasmic capsids were evident but did not mature into enveloped particles. The capsid particles isolated from these cells showed significantly lower levels of incorporation of both VP16 and pUL37 when compared to the wild-type capsids. These data now show that of the tegument proteins, like the essential pUL36, pUL37 and VP16; the complex of pUL16 and pUL21 should be considered as important mediators of cytoplasmic maturation of the particle.

Mycoplasmas are the smallest free-living organisms and cause a number of economically important diseases affecting humans, animals, insects and plants. Here, we demonstrate that highly virulent Mycoplasma mycoides subspecies capri (Mmc) can be fully attenuated via targeted deletion of non-essential genes encoding, among others, potential virulence traits. Five genomic regions, representing approximately ten percent of the original Mmc genome, were successively deleted using Saccharomyces cerevisiae as an engineering platform. Specifically, a total of 68 genes out of the 432 genes verified to be individually nonessential in the JCVI-Syn3.0 minimal cell, were excised from the genome. In vitro characterization showed that this mutant was similar to its parental strain in terms of its doubling time, even though ten percent of the genome content were removed. A novel in vivo challenge model in goats revealed that the wild-type parental strain caused marked necrotizing inflammation at the site of inoculation, septicemia and all animals reaching endpoint criteria within seven days after experimental infection. This is in contrast to the mutant strain, which caused no clinical signs nor pathomorphological lesions. These results highlight, for the first time, the rational design, construction and complete attenuation of a Mycoplasma strain via synthetic genomics tools. Trait addition using the yeast-based genome engineering platform and subsequent in vitro or in vivo trials employing the Mycoplasma chassis will allow us to dissect the role of individual candidate Mycoplasma virulence factors and lead the way for the development of an attenuated designer vaccine.