The ribosome's common core, comprised of ribosomal RNA (rRNA) and universal ribosomal proteins, connects all life back to a common ancestor and serves as a window to relationships among organisms. The rRNA of the common core is most similar to rRNA of extant bacteria. In eukaryotes, the rRNA of the common core is decorated by expansion segments (ESs) that vastly increase its size. Supersized ESs have not been observed previously in Archaea, and the origin of eukaryotic ESs remains enigmatic. We discovered that the large subunit (LSU) rRNA of two Asgard phyla, Lokiarchaeota and Heimdallarchaeota, considered to be the closest modern archaeal cell lineages to Eukarya, bridge the gap in size between prokaryotic and eukaryotic LSU rRNA. The elongated LSU rRNAs in Lokiarchaeota and Heimdallarchaeota stem from the presence of two supersized ESs, ES9 and ES39. We applied chemical footprinting experiments to study the structure of Lokiarchaeota ES39. Furthermore, we used covariation and sequence analysis to study the evolution of Asgard ES39s and ES9s. By defining the common eukaryotic ES39 signature fold, we found that Asgard ES39s have more and longer helices than eukaryotic ES39s. While Asgard ES39s have sequences and structures distinct from eukaryotic ES39s, we found overall conservation of a three-way junction across the Asgard species that matches eukaryotic ES39 topology, a result consistent with the accretion model of ribosomal evolution.

ABSTRACT Gas clathrates are both a resource and a hindrance. They store massive quantities of natural gas but also can clog natural gas pipelines, with disastrous consequences. Eco-friendly technologies for controlling and modulating gas clathrate growth are needed. Type I Antifreeze Proteins (AFPs) from cold-water fish have been shown to bind to gas clathrates via repeating motifs of threonine and alanine. We tested whether proteins encoded in the genomes of bacteria native to natural gas clathrates bind to and alter clathrate morphology. We identified putative clathrate-binding proteins (CBPs) with multiple threonine/alanine motifs in a putative operon ( cbp ) in metagenomes from natural clathrate deposits. We recombinantly expressed and purified five CbpA proteins, four of which were stable, and experimentally confirmed that CbpAs bound to tetrahydrofuran (THF) clathrate, a low-pressure analog for structure II gas clathrate. When grown in the presence of CbpAs, THF clathrate was polycrystalline and plate-like instead of forming single, octahedral crystals. Two CbpAs yielded branching clathrate crystals, similar to the effect of Type I AFP, while the other two produced hexagonal crystals parallel to the [1 1 1] plane, suggesting two distinct binding modes. Bacterial CBPs may find future utility in industry, such as maintaining a plate-like structure during gas clathrate transportation. Table of Contents Graphic

Reactive Fe(III) minerals can influence methane (CH4) emissions by inhibiting microbial methanogenesis or by stimulating anaerobic CH4 oxidation. The balance between Fe(III) reduction, methanogenesis, and methane oxidation in ferruginous Archean and Paleoproterozoic oceans would have controlled CH4 fluxes to the atmosphere, thereby regulating the capacity for CH4 to warm the early Earth under the Faint Young Sun. We studied CH4 and Fe cycling in anoxic incubations of ferruginous sediment from the ancient ocean analogue Lake Matano, Indonesia over three successive transfers (500 days total). Iron reduction, methanogenesis, methane oxidation, and microbial taxonomy were monitored in treatments amended with ferrihydrite or goethite. After three dilutions, Fe(III) reduction persisted only in bottles with ferrihydrite. Enhanced CH4 production was observed in the presence of goethite, highlighting the potential for reactive Fe(III)-oxides to inhibit methanogenesis. Supplementing the media with hydrogen, nickel and selenium did not stimulate methanogenesis. There was limited evidence for Fe(III)-dependent CH4 oxidation, although some incubations displayed CH4-stimulated Fe(III)-reduction. 16S rRNA profiles continuously changed over the course of enrichment, with ultimate dominance of unclassified members of the order Desulfuromonadales in all treatments. Microbial diversity decreased markedly over the course of incubation, with subtle differences between ferrihydrite and goethite amendments. These results suggest that Fe(III)-oxide mineralogy and availability of electron donors could have led to spatial separation of Fe(III)-reducing and methanogenic microbial communities in ferruginous marine sediments, potentially explaining the persistence of CH4 as a greenhouse gas throughout the first half of Earth history.

Soluble ligand-bound Mn(III) can support anaerobic microbial respiration in diverse aquatic environments. Thus far, Mn(III) reduction has only been associated with certain Gammaproteobacteria . Here, we characterized microbial communities enriched from Mn-replete sediments of Lake Matano, Indonesia. Our results provide the first evidence for biological reduction of soluble Mn(III) outside the Gammaproteobacteria . Metagenome assembly and binning revealed a novel betaproteobacterium, which we designate “ Candidatus Dechloromonas occultata.” This organism dominated the enrichment and expressed a porin-cytochrome c complex typically associated with iron-oxidizing Betaproteobacteria and a novel cytochrome c-rich protein cluster (Occ), including an undecaheme putatively involved in extracellular electron transfer. This occ gene cluster was also detected in diverse aquatic bacteria, including uncultivated Betaproteobacteria from the deep subsurface. These observations provide new insight into the taxonomic and functional diversity of microbially-driven Mn(III) reduction in natural environments.Originality-Significance Statement Recent observations suggest that Mn(III)-ligand complexes are geochemically important in diverse aquatic environments. Thus far, microbially-driven Mn(III) reduction has only been associated with Gammaproteobacteria encoding three-component outer-membrane porin-cytochrome c conduits. Here, we demonstrate that Betaproteobacteria dominate in abundance and with respect to protein expression during biologically-mediated Mn(III) reduction in an enrichment culture from an anoxic lacustrine system. Using metaproteomics, we detect for the first time that Betaproteobacteria express a two-component porin-cytochrome c conduit, and an uncharacterized extracellular undecaheme (11-heme) c-type cytochrome. Although this is the first definitive report of an undecaheme within the Betaproteobacteria, we find evidence that they are widespread in uncultivated strains. These results widen the phylogenetic diversity of Mn(III)-reducing bacteria, and provide new insights into potential molecular mechanisms for soluble Mn(III) reduction.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Today, Mg2+ is an essential cofactor with diverse structural and functional roles in lifes oldest macromolecular machine, the translation system. We tested whether ancient Earth conditions (low O2+, high Fe2+, high Mn2+) can revert the ribosome to a functional ancestral state. First, SHAPE (Selective 2-Hydroxyl Acylation analyzed by Primer Extension) was used to compare the effect of Mg2+ vs. Fe2+ on the tertiary structure of rRNA. Then, we used in vitro translation reactions to test whether Fe2+ or Mn2+ could mediate protein production, and quantified ribosomal metal content. We found that: (i) Fe2+ and Mg2+ had strikingly similar effects on rRNA folding; (ii) Fe2+ and Mn2+ can replace Mg2+ as the dominant divalent cation during translation of mRNA to functional protein; (iii) Fe2+ and Mn2+ associated extensively with the ribosome. Given that the translation system originated and matured when Fe2+ and Mn2+ were abundant, these findings suggest that Fe2+ and Mn2+ played a role in early ribosomal evolution.

Electroactive type IV pili, or e-pili, are used by some microbial species for extracellular electron transfer. Recent studies suggest that e-pili may be more phylogenetically and structurally diverse than previously assumed. Here, we used updated aromatic density thresholds (≥9.8% aromatic amino acids, ≤22-aa aromatic gaps, and aromatic amino acids at residues 1, 24, 27, 50 and/or 51, and 32 and/or 57) to search for putative e-pilin genes in metagenomes from diverse ecosystems with active microbial metal cycling. Environmental putative e-pilins were diverse in length and phylogeny, and included truncated e-pilins in Geobacter spp., as well as longer putative e-pilins in Fe(II)-oxidizing Betaproteobacteria and Zetaproteobacteria .Originality and Significance Electroactive pili (e-pili) are used by microorganisms to respire solid metals in their environment through extracellular electron transfer. Thus, e-pili enable microbes to occupy specific environmental niches. Additionally, e-pili have important potential for biotechnological applications. Currently the repertoire of known e-pili is small, and their environmental distribution is largely unknown. Using sequence analysis, we identified numerous genes encoding putative e-pili from diverse anoxic, metal-rich ecosystems. Our results expand the diversity of putative e-pili in environments where metal oxides may be important electron acceptors for microbial respiration.

Divalent metal cations are essential to the structure and function of the ribosome. Previous characterizations of the ribosome performed under standard laboratory conditions have implicated Mg2+ as a primary mediator of ribosomal structure and function. Possible contributions of Fe2+ as a ribosomal cofactor have been largely overlooked, despite the ribosome's early evolution in a high Fe2+ environment, and its continued use by obligate anaerobes inhabiting high Fe2+ niches. Here we show that (i) Fe2+ cleaves RNA by in-line cleavage, a non-oxidative mechanism that has not been detected previously for this metal, (ii) the first-order rate constant with respect to divalent cations is hundreds of times greater with Fe2+ than with Mg2+, (iii) functional ribosomes are associated with Fe2+ after purification from cells grown under low O2 and high Fe2+, and (iv) a small fraction of Fe2+ that is associated with the ribosome is not exchangeable with surrounding divalent cations, presumably because it is tightly coordinated by rRNA and buried in the ribosome. In total, these results expand the ancient role of iron in biochemistry, suggest a novel method for regulation of translation by iron, and highlight a possible new mechanism of iron toxicity.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Gas hydrates harbor gigatons of natural gas, yet their microbiomes remain mysterious. We bioprospected methane hydrate-bearing sediments from under Hydrate Ridge (offshore Oregon, USA, ODP Site 1244) using 16S rRNA gene amplicon, metagenomic, and metaproteomic analysis. Atribacteria (JS-1 Genus 1) sequences rose in abundance with increasing sediment depth. We characterized the most complete JS-1 Genus 1 metagenome-assembled genomic bin (B2) from the deepest sample, 69 meters below the seafloor (E10-H5), within the gas hydrate stability zone. B2 harbors functions not previously reported for Atribacteria, including a primitive respiratory complex and myriad capabilities to survive extreme conditions (e.g. high salt brines, high pressure, and cold temperatures). Several Atribacteria traits, such as a hydrogenase-Na+/H+ antiporter supercomplex (Hun) and di-myo-inositol-phosphate (DIP) synthesis, were similar to those from hyperthermophilic archaea. Expressed Atribacteria proteins were involved in transport of branched chain amino acids and carboxylic acids. Transporter genes were downstream from a novel helix-turn-helix transcriptional regulator, AtiR, which was not present in Atribacteria from other sites. Overall, Atribacteria appear to be endowed with unique strategies that may contribute to its dominance in methane-hydrate bearing sediments. Active microbial transport of amino and carboxylic acids in the gas hydrate stability zone may influence gas hydrate stability.

Abstract The Great Oxidation Event (GOE) was a rapid accumulation of oxygen in the atmosphere as a result of the photosynthetic activity of cyanobacteria. This accumulation reflected the pervasiveness of O 2 on the planet’s surface, indicating that cyanobacteria had become ecologically successful in Archean oceans. Micromolar concentrations of Fe 2+ in Archean oceans would have reacted with hydrogen peroxide, a byproduct of oxygenic photosynthesis, to produce hydroxyl radicals, which cause cellular damage. Yet cyanobacteria colonized Archean oceans extensively enough to oxygenate the atmosphere, which likely required protection mechanisms against the negative impacts of hydroxyl radical production in Fe 2+ -rich seas. We identify several factors that could have acted to protect early cyanobacteria from the impacts of hydroxyl radical production and hypothesize that microbial cooperation may have played an important role in protecting cyanobacteria from Fe 2+ toxicity before the GOE. We found that several strains of facultative anaerobic heterotrophic bacteria ( Shewanella ) with ROS defense mechanisms increase the fitness of cyanobacteria ( Synechococcus ) in ferruginous waters. Shewanella species with manganese transporters provided the most protection. Our results suggest that a tightly regulated response to prevent Fe 2+ toxicity could have been important for the colonization of ancient ferruginous oceans, particularly in the presence of high manganese concentrations, and may expand the upper bound for tolerable Fe 2+ concentrations for cyanobacteria.

Metal cofactors are required for many enzymes in anaerobic microbial respiration. This study examined iron, cobalt, nickel, copper, and zinc in cellular and abiotic phases at the single-cell scale for a sulfate-reducing bacterium (Desulfococcus multivorans) and a methanogenic archaeon (Methanosarcina acetivorans) using synchrotron x-ray fluorescence microscopy. Relative abundances of cellular metals were also measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. For both species, zinc and iron were consistently the most abundant cellular metals. M. acetivorans contained higher nickel and cobalt content than D. multivorans, likely due to elevated metal requirements for methylotrophic methanogenesis. Cocultures contained spheroid zinc sulfides and cobalt/copper-sulfides.