Although biosynthetic gene clusters (BGCs) have been discovered for hundreds of bacterial metabolites, our knowledge of their diversity remains limited. Here, we used a novel algorithm to systematically identify BGCs in the extensive extant microbial sequencing data. Network analysis of the predicted BGCs revealed large gene cluster families, the vast majority uncharacterized. We experimentally characterized the most prominent family, consisting of two subfamilies of hundreds of BGCs distributed throughout the Proteobacteria; their products are aryl polyenes, lipids with an aryl head group conjugated to a polyene tail. We identified a distant relationship to a third subfamily of aryl polyene BGCs, and together the three subfamilies represent the largest known family of biosynthetic gene clusters, with more than 1,000 members. Although these clusters are widely divergent in sequence, their small molecule products are remarkably conserved, indicating for the first time the important roles these compounds play in Gram-negative cell biology.

A wide variety of enzymatic pathways that produce specialized metabolites in bacteria, fungi and plants are known to be encoded in biosynthetic gene clusters. Information about these clusters, pathways and metabolites is currently dispersed throughout the literature, making it difficult to exploit. To facilitate consistent and systematic deposition and retrieval of data on biosynthetic gene clusters, we propose the Minimum Information about a Biosynthetic Gene cluster (MIBiG) data standard.

ABSTRACT Aryl polyenes (APEs) are specialized polyunsaturated carboxylic acids that were identified in silico as the product of the most widespread family of bacterial biosynthetic gene clusters (BGCs). They are present in several Gram-negative host-associated bacteria, including multi-drug resistant human pathogens. Here, we characterize a biological function of APEs, focusing on the BGC from a uropathogenic Escherichia coli (UPEC) strain. We first perform a genetic deletion analysis to identify the essential genes required for APE biosynthesis. Next, we show that APEs function as fitness factors that increase protection from oxidative stress and contribute to biofilm formation. Together, our study highlights key steps in the APE biosynthesis pathway that can be explored as potential drug targets for complementary strategies to reduce fitness and prevent biofilm formation of multi-drug resistant pathogens.

Abstract Gut microbial-derived metabolites have been shown to play key roles in human physiology and disease. However, establishing mechanistic links between gut microbial metabolites and disease pathogenesis in animal models presents many challenges. The major route of absorption for microbe-derived small molecules is venous drainage via the portal vein to the liver. In the event of extensive liver first pass- or presystemic hepatic metabolism, the route of administration of these metabolites becomes critical. Here we describe a novel portal vein cannulation technique using a subcutaneously implanted osmotic pump to achieve continuous portal vein infusion in mice. First, the microbial metabolite trimethylamine (TMA) was administered over 4 weeks and compared to a vehicle control. Using a liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), an increase in peripheral plasma levels of TMA and its host liver-derived co-metabolite trimethylamine-N-oxide (TMAO) were observed in a sexually-dimorphic manner. Next, 4-hydroxyphenylacetic acid (4-HPAA), a structurally distinct microbial metabolite that undergoes extensive hepatic first pass metabolism, was administered intraportally to examine effects on hepatic gene expression. As expected, there was no difference in peripheral plasma 4-HPAA levels yet liver tissue demonstrated higher levels of 4-HPAA when compared to the control group. More importantly, significant changes were observed in hepatic gene expression using an unbiased RNA sequencing approach. Collectively, this work describes a novel method for administering gut microbe-derived metabolites via the portal vein, mimicking their physiologic delivery in vivo . Importance Recent efforts have underscored the importance of the gut microbial community as a meta-endocrine organ impacting host physiology through systemic delivery of gut-microbial metabolites [Brown and Hazen, 2015]. Microbial metabolites are first delivered to the liver via the portal vein following venous drainage of the gastrointestinal tract. This route of absorption is often crucial by allowing the liver to biotransfrom these molecules prior to entering the peripheral circulation. Microbial metabolites are frequently studied in animal models by incorporation into diet or drinking water. This method falls short as inconsistent oral intake, inconsistent gastrointestinal absorption, and further modification of the metabolite by gut microbes yield imprecise levels of drug delivery. In efforts to overcome this, the physiological impact of microbial metabolites is often studied by intermittent exogenous administration of a metabolite in a non-physiologically relevant manner such as intravenous injection, intraperitoneal injection, or subcutaneous administration, all placing a relatively large proportion of the metabolite directly into the peripheral circulation. Although these approaches can effectively raise circulating metabolites levels in some cases, they do not mimic the natural delivery of gut microbial-derived small molecules through the portal circulation to the liver. Here we describe a novel surgical method to continuously deliver precise amounts of gut microbial metabolites intraportally to better recapitulate the natural systemic delivery route of microbial metabolites to the liver. This model will improve the interrogation of gut microbial metabolites and their associations to disease by providing an unmatched level of resolution when manipulating the portal blood metabolome.

Abstract Epithelial Ovarian Cancer (EOC) is the leading cause of gynecologic cancer death. Despite many patients achieving remission with first-line therapy, up to 80% of patients will recur and require additional treatment. Retrospective clinical analysis of OC patients indicates antibiotic use during chemotherapy treatment is associated with poor overall survival. We assessed whether antibiotic (ABX) therapy would impact growth of EOC and sensitivity to cisplatin in murine models. Immune competent or compromised mice were given control or ABX containing water (metronidazole, ampicillin, vancomycin, and neomycin) before being intraperitoneally injected with murine EOC cells. Stool was collected to confirm microbiome disruption and tumors were monitored, and cisplatin therapy was administered weekly until endpoint. EOC tumor-bearing mice demonstrate accelerated tumor growth and resistance to cisplatin therapy in ABX treated compared with nonABX treatment. Stool analysis indicated most gut microbial species were disrupted by ABX treatment except for ABX resistant bacteria. To test for role of the gut microbiome, cecal microbiome transplants (CMTs) of microbiota derived from ABX or nonABX treated mice were used to r ecolonize the microbiome of ABX treated mice. nonABX cecal microbiome was sufficient to ameliorate the chemoresistance and survival of ABX treated mice indicative of a gut derived tumor suppressor. Mechanistically, tumors from ABX treated compared to nonABX treated mice contained a high frequency of cancer stem cells that were augmented by cisplatin. These studies indicate an intact microbiome provides a gut derived tumor suppressor and maintains chemosensitivity that is disrupted by ABX treatment. Significance Platinum resistance is associated with poor prognosis and reduced therapeutic options for ovarian cancer patients. We identifed a tumor suppressive role of the gut microbiome that is disrupted upon antibiotic therapy.

The composition of the skin microbiome varies widely among individuals sampled at the same body site. A key question is which molecular factors determine strain-level variability within sub-ecosystems of the skin. We used a genomics-guided approach to identify an antibacterial biosynthetic gene cluster in Cutibacterium acnes (formerly Propionibacterium acnes) that is widely distributed across individuals and skin sites. Experimental characterization of this cluster enabled the identification of a new thiopeptide antibiotic, cutimycin. Analysis of individual human skin hair follicles showed that cutimycin is an important factor regulating colonization resistance against Staphylococcus species.

SUMMARY The mammalian microbiome encodes numerous secondary metabolite biosynthetic gene clusters, yet their role in microbe-microbe interactions is unclear. Here, we characterized two polyketide synthase gene clusters ( fun and pks ) in the gut symbiont Limosilactobacillus reuteri. The pks , but not the fun cluster, encodes antimicrobial activity. Forty-one out of 51 L. reuteri strains tested are sensitive to Pks products, which was independent of strains’ host origin. The sensitivity to Pks was also established in intraspecies competition experiments in gnotobiotic mice. Comparative genome analyses between Pks-resistant and sensitive strains identified an acyltransferase gene ( act ) that is unique to Pks-resistant strains. Subsequent cell wall analysis of the wild-type and the act mutant strains showed that Act acetylates cell wall components. The pks mutants lost their competitive advantage and act mutants lost their Pks resistance in vivo . Thus, our findings provide insight into how closely related gut symbionts can compete and co- exist in the gastrointestinal tract.

Abstract The molecular mechanisms by which dietary fruits and vegetables confer cardiometabolic benefits remain poorly understood. Historically, these beneficial properties have been attributed to the antioxidant activity of flavonoids. Here, we reveal that the host metabolic benefits associated with flavonoid consumption actually hinge on gut microbial metabolism. We show that a single gut microbial flavonoid catabolite is sufficient to reduce diet-induced cardiometabolic disease burden in mice. Dietary supplementation with elderberry extract attenuated obesity and continuous delivery of the catabolite 4-hydroxphenylacetic acid was sufficient to reverse hepatic steatosis. Analysis of human gut metagenomes revealed that under one percent contains a flavonol catabolic pathway, underscoring the rarity of this process. Our study will impact the design of dietary and probiotic interventions to complement traditional cardiometabolic treatment strategies. One-Sentence Summary Select gut microbes can metabolize flavonoids from a fruit and vegetable diet to monophenolic acids, which improve fatty liver disease. Graphical abstract

Abstract Accurate and reproducible analysis of mouse small and large intestinal lumen is key for research involving intestinal pathology in preclinical models. Currently, there is no easily accessible, standardized method that allows researchers of different skill levels to consistently dissect intestines in a time-efficient manner. Here, we describe the design and use of the 3D printed “Mouse Intestinal Slicing Tool” (MIST), which can be used to longitudinally prepare murine intestines for further analysis. We benchmarked the MIST against a commonly used procedure involving scissors to make a longitudinal cut along the intestines. Use of the MIST halved the time per mouse to prepare the intestines and outperformed alternative methods in smoothness of the cutting edge and general reproducibility. By sharing the plans for printing the MIST, we hope to contribute a uniformly applicable method for saving time and increasing consistency in studies of the mouse gastrointestinal tract.