We have applied â€œwhole-genome shotgun sequencing” to microbial populations collected en masse on tangential flow and impact filters from seawater samples collected from the Sargasso Sea near Bermuda. A total of 1.045 billion base pairs of nonredundant sequence was generated, annotated, and analyzed to elucidate the gene content, diversity, and relative abundance of the organisms within these environmental samples. These data are estimated to derive from at least 1800 genomic species based on sequence relatedness, including 148 previously unknown bacterial phylotypes. We have identified over 1.2 million previously unknown genes represented in these samples, including more than 782 new rhodopsin-like photoreceptors. Variation in species present and stoichiometry suggests substantial oceanic microbial diversity.

The world's oceans contain a complex mixture of micro-organisms that are for the most part, uncharacterized both genetically and biochemically. We report here a metagenomic study of the marine planktonic microbiota in which surface (mostly marine) water samples were analyzed as part of the Sorcerer II Global Ocean Sampling expedition. These samples, collected across a several-thousand km transect from the North Atlantic through the Panama Canal and ending in the South Pacific yielded an extensive dataset consisting of 7.7 million sequencing reads (6.3 billion bp). Though a few major microbial clades dominate the planktonic marine niche, the dataset contains great diversity with 85% of the assembled sequence and 57% of the unassembled data being unique at a 98% sequence identity cutoff. Using the metadata associated with each sample and sequencing library, we developed new comparative genomic and assembly methods. One comparative genomic method, termed "fragment recruitment," addressed questions of genome structure, evolution, and taxonomic or phylogenetic diversity, as well as the biochemical diversity of genes and gene families. A second method, termed "extreme assembly," made possible the assembly and reconstruction of large segments of abundant but clearly nonclonal organisms. Within all abundant populations analyzed, we found extensive intra-ribotype diversity in several forms: (1) extensive sequence variation within orthologous regions throughout a given genome; despite coverage of individual ribotypes approaching 500-fold, most individual sequencing reads are unique; (2) numerous changes in gene content some with direct adaptive implications; and (3) hypervariable genomic islands that are too variable to assemble. The intra-ribotype diversity is organized into genetically isolated populations that have overlapping but independent distributions, implying distinct environmental preference. We present novel methods for measuring the genomic similarity between metagenomic samples and show how they may be grouped into several community types. Specific functional adaptations can be identified both within individual ribotypes and across the entire community, including proteorhodopsin spectral tuning and the presence or absence of the phosphate-binding gene PstS.

Here we determine the complete genomic sequence of the Gram negative, γ-Proteobacterium Vibrio cholerae El Tor N16961 to be 4,033,460 base pairs (bp). The genome consists of two circular chromosomes of 2,961,146 bp and 1,072,314 bp that together encode 3,885 open reading frames. The vast majority of recognizable genes for essential cell functions (such as DNA replication, transcription, translation and cell-wall biosynthesis) and pathogenicity (for example, toxins, surface antigens and adhesins) are located on the large chromosome. In contrast, the small chromosome contains a larger fraction (59%) of hypothetical genes compared with the large chromosome (42%), and also contains many more genes that appear to have origins other than the γ-Proteobacteria. The small chromosome also carries a gene capture system (the integron island) and host ‘addiction’ genes that are typically found on plasmids; thus, the small chromosome may have originally been a megaplasmid that was captured by an ancestral Vibrio species. The V. cholerae genomic sequence provides a starting point for understanding how a free-living, environmental organism emerged to become a significant human bacterial pathogen.

The 2,160,837–base pair genome sequence of an isolate of Streptococcus pneumoniae , a Gram-positive pathogen that causes pneumonia, bacteremia, meningitis, and otitis media, contains 2236 predicted coding regions; of these, 1440 (64%) were assigned a biological role. Approximately 5% of the genome is composed of insertion sequences that may contribute to genome rearrangements through uptake of foreign DNA. Extracellular enzyme systems for the metabolism of polysaccharides and hexosamines provide a substantial source of carbon and nitrogen for S. pneumoniae and also damage host tissues and facilitate colonization. A motif identified within the signal peptide of proteins is potentially involved in targeting these proteins to the cell surface of low–guanine/cytosine (GC) Gram-positive species. Several surface-exposed proteins that may serve as potential vaccine candidates were identified. Comparative genome hybridization with DNA arrays revealed strain differences in S. pneumoniae that could contribute to differences in virulence and antigenicity.

The 2,272,351-base pair genome of Neisseria meningitidis strain MC58 (serogroup B), a causative agent of meningitis and septicemia, contains 2158 predicted coding regions, 1158 (53.7%) of which were assigned a biological role. Three major islands of horizontal DNA transfer were identified; two of these contain genes encoding proteins involved in pathogenicity, and the third island contains coding sequences only for hypothetical proteins. Insights into the commensal and virulence behavior of N. meningitidis can be gleaned from the genome, in which sequences for structural proteins of the pilus are clustered and several coding regions unique to serogroup B capsular polysaccharide synthesis can be identified. Finally, N. meningitidis contains more genes that undergo phase variation than any pathogen studied to date, a mechanism that controls their expression and contributes to the evasion of the host immune system.

The bacterium Vibrio cholerae, like other human pathogens that reside in environmental reservoirs, survives predation by unicellular eukaryotes. Strains of the O1 and O139 serogroups cause cholera, whereas non-O1/non-O139 strains cause human infections through poorly defined mechanisms. Using Dictyostelium discoideum as a model host, we have identified a virulence mechanism in a non-O1/non-O139 V. cholerae strain that involves extracellular translocation of proteins that lack N-terminal hydrophobic leader sequences. Accordingly, we have named these genes "VAS" genes for virulence-associated secretion, and we propose that these genes encode a prototypic "type VI" secretion system. We show that vas genes are required for cytotoxicity of V. cholerae cells toward Dictyostelium amoebae and mammalian J774 macrophages by a contact-dependent mechanism. A large number of Gram-negative bacterial pathogens carry genes homologous to vas genes and potential effector proteins secreted by this pathway (i.e., hemolysin-coregulated protein and VgrG). Mutations in vas homologs in other bacterial species have been reported to attenuate virulence in animals and cultured macrophages. Thus, the genes encoding the VAS-related, type VI secretion system likely play an important conserved function in microbial pathogenesis and represent an additional class of targets for vaccine and antimicrobial drug-based therapies.

The complete genome sequence of the radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans R1 is composed of two chromosomes (2,648,638 and 412,348 base pairs), a megaplasmid (177,466 base pairs), and a small plasmid (45,704 base pairs), yielding a total genome of 3,284,156 base pairs. Multiple components distributed on the chromosomes and megaplasmid that contribute to the ability of D. radiodurans to survive under conditions of starvation, oxidative stress, and high amounts of DNA damage were identified. Deinococcus radiodurans represents an organism in which all systems for DNA repair, DNA damage export, desiccation and starvation recovery, and genetic redundancy are present in one cell.

The complete genome sequence of Enterococcus faecalis V583, a vancomycin-resistant clinical isolate, revealed that more than a quarter of the genome consists of probable mobile or foreign DNA. One of the predicted mobile elements is a previously unknown vanB vancomycin-resistance conjugative transposon. Three plasmids were identified, including two pheromone-sensing conjugative plasmids, one encoding a previously undescribed pheromone inhibitor. The apparent propensity for the incorporation of mobile elements probably contributed to the rapid acquisition and dissemination of drug resistance in the enterococci.

Shewanella oneidensis is an important model organism for bioremediation studies because of its diverse respiratory capabilities, conferred in part by multicomponent, branched electron transport systems. Here we report the sequencing of the S. oneidensis genome, which consists of a 4,969,803–base pair circular chromosome with 4,758 predicted protein-encoding open reading frames (CDS) and a 161,613–base pair plasmid with 173 CDSs. We identified the first Shewanella lambda-like phage, providing a potential tool for further genome engineering. Genome analysis revealed 39 c-type cytochromes, including 32 previously unidentified in S. oneidensis, and a novel periplasmic [Fe] hydrogenase, which are integral members of the electron transport system. This genome sequence represents a critical step in the elucidation of the pathways for reduction (and bioremediation) of pollutants such as uranium (U) and chromium (Cr), and offers a starting point for defining this organism's complex electron transport systems and metal ion–reducing capabilities.