Methanogenesis, the biological production of methane, plays a pivotal role in the global carbon cycle and contributes significantly to global warming. The majority of methane in nature is derived from acetate. Here we report the complete genome sequence of an acetate-utilizing methanogen, Methanosarcina acetivorans C2A. Methanosarcineae are the most metabolically diverse methanogens, thrive in a broad range of environments, and are unique among the Archaea in forming complex multicellular structures. This diversity is reflected in the genome of M. acetivorans . At 5,751,492 base pairs it is by far the largest known archaeal genome. The 4524 open reading frames code for a strikingly wide and unanticipated variety of metabolic and cellular capabilities. The presence of novel methyltransferases indicates the likelihood of undiscovered natural energy sources for methanogenesis, whereas the presence of single-subunit carbon monoxide dehydrogenases raises the possibility of nonmethanogenic growth. Although motility has not been observed in any Methanosarcineae , a flagellin gene cluster and two complete chemotaxis gene clusters were identified. The availability of genetic methods, coupled with its physiological and metabolic diversity, makes M. acetivorans a powerful model organism for the study of archaeal biology. [Sequence, data, annotations, and analyses are available at http://www-genome.wi.mit.edu/ . The sequence data described in this paper have been submitted to the GenBank data library under accession no. AE010299 .]

Abstract Sustainable enhancements to crop productivity and increased resilience to adverse conditions are critical for modern agriculture, and application of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) is a promising method to achieve these goals. However, many desirable PGPR traits are highly regulated in their native microbe, limited to certain plant rhizospheres, or insufficiently active for agricultural purposes. Synthetic biology can address these limitations, but its application is limited by availability of appropriate tools for sophisticated, high-throughput genome engineering that function in environments where selection for DNA maintenance is impractical. Here we present an orthogonal, S erine-integrase A ssisted G enome E ngineering (SAGE) system, which enables iterative, site-specific integration of up to 10 different DNA constructs at efficiency on par or better than replicating plasmids. SAGE does not require use of replicating plasmids to deliver recombination machinery, and employs a secondary serine-integrase to excise and recycle selection markers. Furthermore, unlike the widely utilized pBBR1 origin, DNA transformed using SAGE is stable without selection. We highlight SAGE’s utility by constructing a 287-member constitutive promoter library with a ∼40,000-fold dynamic range in P. fluorescens SBW25. We show that SAGE functions robustly in diverse α- and γ-proteobacteria, thus providing evidence that it will be broadly useful for engineering industrial or environmental bacteria.

Abstract Metabolite exchange between plant roots and their associated rhizosphere microbiomes underpins plant growth promotion by microbes. Sorghum bicolor is a cereal crop that feeds animals and humans and is used for bioethanol production. Its root tips exude large amounts of a lipophilic benzoquinone called sorgoleone. Sorgoleone is an allelochemical that suppresses the growth of competing plant seedlings and is mineralized by microbes in soil. As an avenue to understand how sorghum and its root microbiome may be connected through root exudates, we identified the molecular determinants of microbial sorgoleone degradation and the distribution of this trait among microbes. We isolated and studied from sorghum-associated soils, three bacterial strains classified as Acinetobacter , Burkholderia , and Pseudomonas species that grow with sorgoleone as a sole carbon and energy source. The genomes of these strains were sequenced and subjected to transcriptomic and gene fitness analyses to identify candidate sorgoleone degradation genes. Follow up mutational analysis showed that sorgoleone catabolism is dependent on four contiguous genes that are conserved among the species we sequenced. Phylogenetic analysis of the sorgoleone degradation gene cluster showed that sorgoleone catabolism is enriched in sorghum-associated Streptomyces strains. The discovery of bacteria that grow on a compound like sorgoleone that is plant specific and not widely distributed in the environment, provides an opportunity to study how a plant exudate can enforce the development of a rhizosphere specific microbiome for the mutual benefit of plant and microbe. Significance The grain crop sorghum exudes an herbicidal compound called sorgoleone from its root tips, which inhibits the growth of other plants. We isolated bacteria that grow on sorogleone and identified a cluster of bacterial genes required for sorogleone degradation that can be used as a biomarker for this trait. An approach to improve the production of crops in stressful conditions such as drought, is to encourage their association with plant growth promoting bacteria. Our discovery of sorgoleone degradation genes opens the door to engineering bacteria that receive benefit from sorghum in the form of a plant-specific growth substrate, and in return promote the growth of this crop.

Abstract Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 is a promising microbial chassis for industrial production of valuable compounds, including aromatic amino acids derived from the shikimate pathway. In this work, we developed two whole-cell, transcription factor based fluorescent biosensors to track cis,cis-muconic acid (ccMA) and chorismate in C. glutamicum. Chorismate is a key intermediate in the shikimate pathway from which value-added chemicals can be produced, and a shunt from the shikimate pathway can divert carbon to ccMA, a high value chemical. We transferred a ccMA-inducible transcription factor, CatM, from Acinetobacter baylyi ADP1 into C. glutamicum and screened a promoter library to isolate variants with high sensitivity and dynamic range to ccMA by providing benzoate, which is converted to ccMA intracellularly. The biosensor also detected exogenously supplied ccMA, suggesting the presence of a putative ccMA transporter in C. glutamicum, though the external ccMA concentration threshold to elicit a response was 100-fold higher than the concentration of benzoate required to do so through intracellular ccMA production. We then developed a chorismate biosensor, in which a chorismate inducible promoter regulated by natively expressed QsuR was optimized to exhibit a dose-dependent response to exogenously supplemented quinate (a chorismate precursor). A chorismate–pyruvate lyase encoding gene, ubiC, was introduced into C. glutamicum to lower the intracellular chorismate pool, which resulted in loss of dose dependence to quinate. Further, a knockout strain that blocked the conversion of quinate to chorismate also resulted in absence of dose dependence to quinate, validating that the chorismate biosensor is specific to intracellular chorismate pool. The ccMA and chorismate biosensors were dually inserted into C. glutamicum to simultaneously detect intracellularly produced chorismate and ccMA. Biosensors, such as those developed in this study, can be applied in C. glutamicum for multiplex sensing to expedite pathway design and optimization through metabolic engineering in this promising chassis organism. One-Sentence Summary High-throughput screening of promoter libraries in Corynebacterium glutamicum to establish transcription factor based biosensors for key metabolic intermediates in shikimate and β-ketoadipate pathways.

Abstract Bacterial DNA methylation is involved in diverse cellular functions ranging from modulation of gene expression, DNA repair, and restriction-modification systems for defense against viruses and other foreign DNA. Methylome analysis determines sites within a bacterial chromosome that are methylated, revealing motifs that may be targeted by native restriction enzymes. Identification of these motifs is therefore critical to making an organism genetically tractable, where mimicking the methylome patterns in Escherichia coli allows plasmid DNA to be protected from restriction in the target organism and can therefore drastically enhance transformation efficiency. Oxford Nanopore Technologies (ONT) sequencing can detect methylated bases during sequencing, but software is needed to identify the corresponding methylated motifs within the data. Here, we develop MIJAMP ( M IJAMP Is Just A MethylBED P arser), a software package that was developed to discover methylated motifs from the output of ONT’s Modkit or other data in the methylBED format. MIJAMP employs a human-driven refinement strategy that empirically validates all motifs against genome-wide methylation data, thus eliminating false, under-, or overexplained motifs. MIJAMP can also report methylation data on a specific, user-defined motif. Using MIJAMP, we determined the methylated motifs both in a control strain (wild type E. coli ) and in Picosynecococcus sp. strain PCC7002, laying the foundation for improved transformation in this organism. MIJAMP is available at https://code.ornl.gov/alexander-public/mijamp/ .

ABSTRACT Clostridium thermocellum is a cellulolytic thermophile considered for consolidated bioprocessing of lignocellulose to ethanol. Improvements in ethanol yield are required for industrial implementation, but incompletely understood causes of amino acid secretion impede progress. In this study, amino acid secretion was investigated by gene deletions in ammonium-regulated NADPH-supplying and -consuming pathways and physiological characterization in cellobiose- or ammonium-limited chemostats. First, the contribution of the NADPH-supplying malate shunt was studied with strains using either the NADPH-yielding malate shunt (Δ ppdk ) or redox-independent conversion of PEP to pyruvate (Δ ppdk Δ malE::P eno -pyk ). In the latter, branched-chain amino acids, especially valine, were significantly reduced, whereas the ethanol yield increased 46-60%, suggesting that secretion of these amino acids balances NADPH surplus from the malate shunt. Unchanged amino acid secretion in Δ ppdk falsified a previous hypothesis on ammonium-regulated PEP-to-pyruvate flux redistribution. Possible involvement of another NADPH-supplier, namely NADH-dependent reduced ferredoxin:NADP + oxidoreductase ( nfnAB ), was also excluded. Finally, deletion of glutamate synthase ( gogat ) in ammonium assimilation resulted in upregulation of NADPH-linked glutamate dehydrogenase activity and decreased amino acid yields. Since gogat in C. thermocellum is putatively annotated as ferredoxin-linked, which is supported by product redistribution observed in this study, this deletion likely replaced ferredoxin with NADPH in ammonium assimilation. Overall, these findings indicate that a need to reoxidize NADPH is driving the observed amino acid secretion, likely at the expense of NADH needed for ethanol formation. This suggests that metabolic engineering strategies on simplifying redox metabolism and ammonium assimilation can contribute to increased ethanol yields. Importance Improving the ethanol yield of C. thermocellum is important for industrial implementation of this microorganism in consolidated bioprocessing. A central role of NADPH in driving amino acid byproduct formation was demonstrated, by eliminating the NADPH-supplying malate shunt and separately by changing the cofactor specificity in ammonium assimilation. With amino acid secretion diverting carbon and electrons away from ethanol, these insights are important for further metabolic engineering to reach industrial requirements on ethanol yield. This study also provides chemostat data relevant for training genome-scale metabolic models and improving the validity of their predictions, especially considering the reduced degree-of-freedom in redox metabolism of the strains generated here. In addition, this study advances fundamental understanding on mechanisms underlying amino acid secretion in cellulolytic Clostridia as well as regulation and cofactor specificity in ammonium assimilation. Together, these efforts aid development of C. thermocellum for sustainable consolidated bioprocessing of lignocellulose to ethanol with minimal pretreatment.

ABSTRACT Expanding the catabolic repertoire of engineered microbial bioproduction hosts enables more complete use of complex feedstocks such as lignocellulosic hydrolysates and deconstructed mixed plastics, but the deleterious effects of existing expression systems limit the maximum carry capacity for heterologous catabolic pathways. Here, we demonstrate use of a conditionally beneficial oxidative xylose catabolic pathway to improve performance of a Pseudomonas putida strain that has been engineered for growth-coupled bioconversion of glucose into the valuable bioproduct cis,cis -muconic acid. In the presence of xylose, the pathway enhances growth rate, and therefore productivity, by >60%, but the metabolic burden of constitutive pathway expression reduces growth rate by >20% in the absence of xylose. To mitigate this growth defect, we develop a xylose biosensor based on the XylR transcription factor from Caulobacter crescentus NA1000 to autonomously regulate pathway expression. We generate a library of engineered xylose-responsive promoters that cover a three order-of-magnitude range of expression levels to tune pathway expression. Using structural modeling to guide mutations, we engineer XylR with two and three orders-of-magnitude reduced sensitivity to xylose and L-arabinose, respectively. A previously developed heterologous xylose isomerase pathway is placed under control of the biosensor, which improves the growth rate with xylose as a carbon source by 10% over the original constitutively expressed pathway. Finally, the oxidative xylose catabolic pathway is placed under control of the biosensor, enabling the bioproduction strain to maintain the increased growth rate in the presence of xylose, without the growth defect incurred from constitutive pathway expression in the absence of xylose. Utilizing biosensors to autonomously regulate conditionally beneficial catabolic pathways is generalizable approach that will be critical for engineering bioproduction hosts bacteria with the wide range of catabolic pathways required for bioconversion of complex feedstocks.

Biological conversion of lignin from biomass offers a promising strategy for sustainable production of fuels and chemicals. However, aromatic compounds derived from lignin commonly contain methoxy groups, and O-demethylation of these substrates is often a rate-limiting reaction that influences catabolic efficiency. Several enzyme families catalyze aromatic O-demethylation, but they are rarely compared in vivo to determine an optimal biocatalytic strategy. Here, two pathways for aromatic O-demethylation were compared in Pseudomonas putida KT2440. The native Rieske non-heme iron monooxygenase (VanAB) and, separately, a heterologous tetrahydrofolate-dependent demethylase (LigM) were constitutively expressed in P. putida, and the strains were optimized via adaptive laboratory evolution (ALE) with vanillate as a model substrate. All evolved strains displayed improved growth phenotypes, with the evolved strains harboring the native VanAB pathway exhibiting growth rates ∼1.8x faster than those harboring the heterologous LigM pathway. Enzyme kinetics and transcriptomics studies investigated the contribution of selected mutations toward enhanced utilization of vanillate. The VanAB-overexpressing strains contained the most impactful mutations, including those in VanB, the reductase for vanillate O-demethylase, PP_3494, a global regulator of vanillate catabolism, and fghA, involved in formaldehyde detoxification. These three mutations were combined into a single strain, which exhibited approximately 5x faster vanillate consumption than the wild-type strain in the first 8 h of cultivation. Overall, this study illuminates the details of vanillate catabolism in the context of two distinct enzymatic mechanisms, yielding a platform strain for efficient O-demethylation of lignin-related aromatic compounds to value-added products.

Cellulosic biofuel production yields a substantial lignin byproduct stream that currently has few applications. Biological conversion of lignin compounds into chemicals and fuels has the potential to improve the economics of cellulosic biofuels, but few microbes are able both to catabolize lignin and generate valuable products. While Escherichia coli has been engineered to produce a variety of fuels and chemicals, it is incapable of catabolizing most aromatic compounds. Therefore, we have engineered E. coli to catabolize a model lignin monomer, protocatechuate, as the sole source of carbon and energy, via heterologous expression of a nine-gene pathway from Pseudomonas putida KT2440. We next used experimental evolution to select for mutations that increased growth with PCA more than two-fold. Increasing the strength of a single ribosome binding site in the heterologous pathway was sufficient to recapitulate the increased growth. After optimization of the core pathway, we extended the pathway to enable catabolism of a second model compound, 4-hydroxybenzoate. These engineered strains will be useful platforms to discover, characterize, and optimize pathways for lignin bioconversions.

ABSTRACT Escherichia coli is the most studied and well understood microorganism, but research in this system can still be limited by available genetic tools, including the ability to rapidly integrate multiple DNA constructs efficiently into the chromosome. Site-specific, large serine recombinases can be useful tools, catalyzing a single, unidirectional recombination event between two specific DNA sequences, attB and attP , without requiring host proteins for functionality. Using these recombinases, we have developed a system to integrate up to twelve genetic constructs sequentially and stably into in the E. coli chromosome. A cassette of attB sites was inserted into the chromosome and the corresponding recombinases were cloned onto temperature sensitive plasmids to mediate recombination between a non-replicating, attP- containing “cargo” plasmid and the corresponding attB site on the chromosome. The efficiency of DNA insertion into the E. coli chromosome was approximately 10 7 cfu/μg DNA for six of the recombinases when the competent cells already contained the recombinase-expressing plasmid and approximately 10 5 cfu/μg DNA or higher when the recombinase-expressing plasmid and “cargo” plasmid were co-transformed. The “cargo” plasmid contains ΦC31 recombination sites flanking the antibiotic gene, allowing for resistance markers to be removed and reused following transient expression of the ΦC31 recombinase. As an example of the utility of this system, eight DNA methyltransferases from Clostridium clariflavum 4-2a were inserted into the E. coli chromosome to methylate plasmid DNA for evasion of the C. clariflavum restriction systems, enabling the first demonstration of transformation of this cellulose-degrading species. Importance More rapid genetic tools can help accelerate strain engineering, even in advanced hosts like Escherichia coli . Here, we adapt a suite of site-specific recombinases to enable simple, rapid, and highly efficient site-specific integration of heterologous DNA into the chromosome. This utility of this system was demonstrated by sequential insertion of eight DNA methyltransferases into the E. coli chromosome, allowing plasmid DNA to be protected from restriction in Clostridium clariflavum and enabling genetic transformation of this organism. This integration system should also be highly portable into non-model organisms.