The concept of a last universal common ancestor of all cells (LUCA, or the progenote) is central to the study of early evolution and life's origin, yet information about how and where LUCA lived is lacking. We investigated all clusters and phylogenetic trees for 6.1 million protein coding genes from sequenced prokaryotic genomes in order to reconstruct the microbial ecology of LUCA. Among 286,514 protein clusters, we identified 355 protein families (∼0.1%) that trace to LUCA by phylogenetic criteria. Because these proteins are not universally distributed, they can shed light on LUCA's physiology. Their functions, properties and prosthetic groups depict LUCA as anaerobic, CO2-fixing, H2-dependent with a Wood-Ljungdahl pathway, N2-fixing and thermophilic. LUCA's biochemistry was replete with FeS clusters and radical reaction mechanisms. Its cofactors reveal dependence upon transition metals, flavins, S-adenosyl methionine, coenzyme A, ferredoxin, molybdopterin, corrins and selenium. Its genetic code required nucleoside modifications and S-adenosyl methionine-dependent methylations. The 355 phylogenies identify clostridia and methanogens, whose modern lifestyles resemble that of LUCA, as basal among their respective domains. LUCA inhabited a geochemically active environment rich in H2, CO2 and iron. The data support the theory of an autotrophic origin of life involving the Wood-Ljungdahl pathway in a hydrothermal setting.

Archaebacterial halophiles (Haloarchaea) are oxygen-respiring heterotrophs that derive from methanogens—strictly anaerobic, hydrogen-dependent autotrophs. Haloarchaeal genomes are known to have acquired, via lateral gene transfer (LGT), several genes from eubacteria, but it is yet unknown how many genes the Haloarchaea acquired in total and, more importantly, whether independent haloarchaeal lineages acquired their genes in parallel, or as a single acquisition at the origin of the group. Here we have studied 10 haloarchaeal and 1,143 reference genomes and have identified 1,089 haloarchaeal gene families that were acquired by a methanogenic recipient from eubacteria. The data suggest that these genes were acquired in the haloarchaeal common ancestor, not in parallel in independent haloarchaeal lineages, nor in the common ancestor of haloarchaeans and methanosarcinales. The 1,089 acquisitions include genes for catabolic carbon metabolism, membrane transporters, menaquinone biosynthesis, and complexes I–IV of the eubacterial respiratory chain that functions in the haloarchaeal membrane consisting of diphytanyl isoprene ether lipids. LGT on a massive scale transformed a strictly anaerobic, chemolithoautotrophic methanogen into the heterotrophic, oxygen-respiring, and bacteriorhodopsin-photosynthetic haloarchaeal common ancestor.

Abstract Protein-protein interactions between virus and host are crucial for infection. SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19 pandemic is an RNA virus prone to mutations. Formation of a stable binding interface between the Spike (S) protein R eceptor B inding D omain (RBD) of SARS-CoV-2 and A ngiotensin- C onverting E nzyme 2 (ACE2) of host actuates viral entry. Yet, how this binding interface evolves as virus acquires mutations during pandemic remains elusive. Here, using a high fidelity bioinformatics pipeline, we analysed 31,403 SARS-CoV-2 genomes across the globe, and identified 444 non-synonymous mutations that cause 49 distinct amino acid substitutions in the RBD. Molecular phylogenetic analysis suggested independent emergence of these RBD mutants during pandemic. In silico structure modelling of interfaces induced by mutations on residues which directly engage ACE2 or lie in the near vicinity revealed molecular rearrangements and binding energies unique to each RBD mutant. Comparative structure analysis using binding interface from mouse that prevents SARS-CoV-2 entry uncovered minimal molecular determinants in RBD necessary for the formation of stable interface. We identified that interfacial interaction involving amino acid residues N487 and G496 on either ends of the binding scaffold are indispensable to anchor RBD and are well conserved in all SARS-like corona viruses. All other interactions appear to be required to locally remodel binding interface with varying affinities and thus may decide extent of viral transmission and disease outcome. Together, our findings propose the modalities and variations in RBD-ACE2 interface formation exploited by SARS-CoV-2 for endurance. Importance COVID-19, so far the worst hit pandemic to mankind, started in January 2020 and is still prevailing globally. Our study identified key molecular arrangements in RBD-ACE2 interface that help virus to tolerate mutations and prevail. In addition, RBD mutations identified in this study can serve as a molecular directory for experimental biologists to perform functional validation experiments. The minimal molecular requirements for the formation of RBD-ACE2 interface predicted using in silico structure models may help precisely design neutralizing antibodies, vaccines and therapeutics. Our study also proposes the significance of understanding evolution of protein interfaces during pandemic.

Abstract Pittis and Gabaldón 1 recently claimed that the mitochondrion came late in eukaryotic evolution, following an earlier phase of evolution in which the eukaryotic host lineage acquired genes from bacteria. Here we show that their paper has multiple fatal flaws founded in inappropriate statistical methods and analyses, in addition to erroneous interpretations.

Abstract Quantitative determination of neutralizing antibodies against Severe Acute Respiratory Syndrome Corona Virus-2 (SARS-CoV-2) is paramount in immunodiagnostics, vaccine efficacy testing, and immune response profiling among the vaccinated population. Cost-effective, rapid, easy-to-perform assays are essential to support the vaccine development process and immunosurveillance studies. Here, we describe a bead-based screening assay for S1-neutralization using recombinant fluorescent proteins of hACE2 and SARS-CoV2-S1, immobilized on solid beads employing nanobodies /metal-affinity tags. Nanobody-mediated capture of SARS-CoV-2 - Spike (S1) on agarose beads served as the trap for soluble recombinant ACE2-GFPSpark, inhibited by neutralizing antibody. The first approach demonstrates single-color fluorescent imaging of ACE2–GFPspark binding to His-tagged S1-Receptor Binding Domain (RBD-His) immobilized beads. The second approach is dual-color imaging of soluble ACE2-GFPSpark to S1-Orange Fluorescent Protein (S1-OFPSpark) beads. Both methods showed a good correlation with the gold standard pseudovirion assay and can be adapted to any fluorescent platforms for screening. Life-time imaging of the ACE2-GFPSpark confirmed the interaction of ACE2 and S1-OFPSpark on beads. The self-renewable source of secreted recombinant proteins from stable cells and its direct use without necessitating purification renders the platform a cost-effective and rapid one than the popular pseudovirion assay and live virus-based assays. Any laboratory with minimum expertise can rapidly perform this bead assay for neutralizing antibody detection using stable engineered cells.

Abstract In prokaryotes, known mechanisms of lateral gene transfer (transformation, transduction, conjugation and gene transfer agents) generate new combinations of genes among chromosomes during evolution. In eukaryotes, whose host lineage is descended from archaea, lateral gene transfer from organelles to the nucleus occurs at endosymbiotic events. Recent genome analyses studying gene distributions have uncovered evidence for sporadic, discontinuous events of gene transfer from bacteria to archaea during evolution. Other studies have used traditional birth-and-death phylogenetic models to investigate prokaryote genome evolution to claim that gene transfer to archaea was continuous during evolution, rather than involving occasional periodic mass gene influx events. Here we test the ability of Count, a birth-and-death based program, to recover known events of mass acquisition and differential loss using plastid genomes and eukaryotic protein families that were acquired from plastids. Count showed a strong bias towards reconstructed histories having gene acquisitions distributed uniformly across the tree. Sometimes as many as nine different acquisitions by plastid DNA were inferred for the same protein family. That is, Count recovered gradual and continuous lateral gene transfer among lineages, even when massive gains followed by gradual differential loss is the true evolutionary process that generated the gene distribution data.

Extreme flooding is one of the major risk factors for human health, and it can significantly influence the microbial communities and enhance the mobility of infectious disease agents within its affected areas. The flood crisis in 2018 was one of the severe natural calamities recorded in the southern state of India (Kerala) that significantly affected its economy and ecological habitat. We utilized a combination of shotgun metagenomics and bioinformatics approaches for understanding microbiome disruption and the dissemination of pathogenic and antibiotic-resistant bacteria on flooded sites. Here we report, altered bacterial profiles at the flooded sites having 77 significantly different bacterial genera in comparison with non-flooded mangrove settings. The flooded regions were heavily contaminated with faecal contamination indicators such as Escherichia coli and Enterococcus faecalis and resistant strains of Pseudomonas aeruginosa, Salmonella Typhi/Typhimurium, Klebsiella pneumoniae, Vibrio cholerae and Staphylococcus aureus. The resistome of the flooded sites contains 103 resistant genes, of which 38% are encoded in plasmids, where most of them are associated with pathogens. The presence of 6 pathogenic bacteria and its susceptibility to multiple antibiotics including ampicillin, chloramphenicol, kanamycin and tetracycline hydrochloride were confirmed in flooded and post-flooded sites using traditional culture-based analysis followed by 16S rRNA sequencing. Our results reveal altered bacterial profile following a devastating flood event with elevated levels of both faecal contamination indicators and resistant strains of pathogenic bacteria. The circulation of raw sewage from waste treatment settings and urban area might facilitate the spreading of pathogenic bacteria and resistant genes.

H1N1, a subtype of influenza A virus, remains a global concern due to its ability to cause highly contagious, and fatal infections of the respiratory tract that can lead to seasonal pandemics. Factors such as genetic reassortment and antigenic shift due to the segmented nature of its RNA genome, lead to its rapid evolution that impacts drug and vaccine interactions. Thus, there is growing interest in identifying small-molecules against H1N1 to address the challenges posed by its ever-changing nature and enhance ability to combat the virus. By targeting the surface proteins crucial in the viral life cycle and interactions with host cells, we conducted structure-based virtual screening of 2,471 FDA-approved small molecules against H1N19s hemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA) using molecular docking, and molecular dynamic simulations. A binding pocket for HA was identified at the interface of the three protomers, close to the fusion peptide, while in the case of NA the co-crystal ligand binding site was targeted. We identified 5 molecules, namely Econazole, Butoconazole, Miconazole, Isoconazole, and Tioconazole with higher binding affinity to HA and 4 molecules, namely Acarbose, Rutin, Paromomycin, and Idarubicin showing superior binding affinity to NA. Further molecular dynamic simulation of these molecules bound with HA and NA reaffirm the stability of the complexes. These molecules are known to have antifungal and antiviral properties. Thus, this study elucidates the importance of targeting HA and NA and paves the way for repurposing existing antivirals, antibacterials, and antifungals as inhibitors of the H1N1 viral entry into host cells. Keywords: Antiviral, Docking, H1N1, Hemagglutinin, MD simulation, Neuraminidase