We used whole-genome design and complete chemical synthesis to minimize the 1079-kilobase pair synthetic genome of Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0. An initial design, based on collective knowledge of molecular biology combined with limited transposon mutagenesis data, failed to produce a viable cell. Improved transposon mutagenesis methods revealed a class of quasi-essential genes that are needed for robust growth, explaining the failure of our initial design. Three cycles of design, synthesis, and testing, with retention of quasi-essential genes, produced JCVI-syn3.0 (531 kilobase pairs, 473 genes), which has a genome smaller than that of any autonomously replicating cell found in nature. JCVI-syn3.0 retains almost all genes involved in the synthesis and processing of macromolecules. Unexpectedly, it also contains 149 genes with unknown biological functions. JCVI-syn3.0 is a versatile platform for investigating the core functions of life and for exploring whole-genome design.

TIGRFAMs, available online at http://www.jcvi.org/tigrfams is a database of protein family definitions. Each entry features a seed alignment of trusted representative sequences, a hidden Markov model (HMM) built from that alignment, cutoff scores that let automated annotation pipelines decide which proteins are members, and annotations for transfer onto member proteins. Most TIGRFAMs models are designated equivalog, meaning they assign a specific name to proteins conserved in function from a common ancestral sequence. Models describing more functionally heterogeneous families are designated subfamily or domain, and assign less specific but more widely applicable annotations. The Genome Properties database, available at http://www.jcvi.org/genome-properties, specifies how computed evidence, including TIGRFAMs HMM results, should be used to judge whether an enzymatic pathway, a protein complex or another type of molecular subsystem is encoded in a genome. TIGRFAMs and Genome Properties content are developed in concert because subsystems reconstruction for large numbers of genomes guides selection of seed alignment sequences and cutoff values during protein family construction. Both databases specialize heavily in bacterial and archaeal subsystems. At present, 4284 models appear in TIGRFAMs, while 628 systems are described by Genome Properties. Content derives both from subsystem discovery work and from biocuration of the scientific literature.

Bacteria in the 16S rRNA clade SAR86 are among the most abundant uncultivated constituents of microbial assemblages in the surface ocean for which little genomic information is currently available. Bioinformatic techniques were used to assemble two nearly complete genomes from marine metagenomes and single-cell sequencing provided two more partial genomes. Recruitment of metagenomic data shows that these SAR86 genomes substantially increase our knowledge of non-photosynthetic bacteria in the surface ocean. Phylogenomic analyses establish SAR86 as a basal and divergent lineage of γ-proteobacteria, and the individual genomes display a temperature-dependent distribution. Modestly sized at 1.25-1.7 Mbp, the SAR86 genomes lack several pathways for amino-acid and vitamin synthesis as well as sulfate reduction, trends commonly observed in other abundant marine microbes. SAR86 appears to be an aerobic chemoheterotroph with the potential for proteorhodopsin-based ATP generation, though the apparent lack of a retinal biosynthesis pathway may require it to scavenge exogenously-derived pigments to utilize proteorhodopsin. The genomes contain an expanded capacity for the degradation of lipids and carbohydrates acquired using a wealth of tonB-dependent outer membrane receptors. Like the abundant planktonic marine bacterial clade SAR11, SAR86 exhibits metabolic streamlining, but also a distinct carbon compound specialization, possibly avoiding competition.

ABSTRACT Although many aspects of microbiome studies have been standardized to improve experimental replicability, none account for how the daily diurnal fluctuations in the gut lumen cause dynamic changes in 16S amplicon sequencing. Here we show that sample collection time affects the conclusions drawn from microbiome studies and are larger than the effect size of a daily experimental intervention or dietary changes. The timing of divergence of the microbiome composition between experimental and control groups are unique to each experiment. Sample collection times as short as only four hours apart lead to vastly different conclusions. Lack of consistency in the time of sample collection may explain poor cross-study replicability in microbiome research. Without looking at other data, the impact on other fields is unknown but potentially significant. One-Sentence Summary If we are not controlling for host circadian rhythm time in microbiome studies when performing experiments, it is like trying to measure sea level rise while not knowing that tides or waves exist.

ABSTRACT Live bacterial therapeutics (LBT) could reverse disease by engrafting in the gut and providing persistent beneficial functions in the host. However, attempts to functionally manipulate the gut microbiome of conventionally-raised (CR) hosts have been unsuccessful, because engineered microbial organisms (i.e., chassis) cannot colonize the hostile luminal environment. In this proof-of-concept study, we use native bacteria as chassis for transgene delivery to impact CR host physiology. Native Escherichia coli isolated from stool cultures of CR mice were modified to express functional bacterial (bile salt hydrolase) and eukaryotic (Interleukin-10) genes. Reintroduction of these strains induces perpetual engraftment in the intestine. In addition, engineered native E. coli can induce functional changes that affect host physiology and reverse pathology in CR hosts months after administration. Thus, using native bacteria as chassis to “knock-in” specific functions allows mechanistic studies of specific microbial activities in the microbiome of CR hosts, and enables LBT with curative intent.