Abstract The Antarctic marine ecosystem harbors a wealth of biological and chemical innovation that has risen in concert over millennia since the isolation of the continent and formation of the Antarctic circumpolar current. Scientific inquiry into the novelty of marine natural products produced by Antarctic benthic invertebrates led to the discovery of a bioactive macrolide, palmerolide A, that has specific activity against melanoma and holds considerable promise as an anticancer therapeutic. While this compound was isolated from the Antarctic ascidian Synoicum adareanum , its biosynthesis has since been hypothesized to be microbially mediated, given structural similarities to microbially-produced hybrid non-ribosomal peptide-polyketide macrolides. Here, we describe a metagenome-enabled investigation aimed at identifying the biosynthetic gene cluster (BGC) and palmerolide A-producing organism. A 74 Kbp candidate BGC encoding the multi-modular enzymatic machinery (hybrid Type I- trans -AT polyketide synthase-non-ribosomal peptide synthetase and tailoring functional domains) was identified and found to harbor key features predicted as necessary for palmerolide A biosynthesis. Surveys of ascidian microbiome samples targeting the candidate BGC revealed a high correlation between palmerolide-gene targets and a single 16S rRNA gene variant (R=0.83 – 0.99). Through repeated rounds of metagenome sequencing followed by binning contigs into metagenome-assembled genomes, we were able to retrieve a near-complete genome (10 contigs) of the BGC-producing organism, a novel verrucomicrobium within the Opitutaceae family that we propose here as Candidatus Synoicihabitans palmerolidicus. The refined genome assembly harbors five highly similar BGC copies, along with structural and functional features that shed light on the host-associated nature of this unique bacterium. Importance Palmerolide A has potential as a chemotherapeutic agent to target melanoma. We interrogated the microbiome of the Antarctic ascidian, Synoicum adareanum , using a cultivation-independent high-throughput sequencing and bioinformatic strategy. The metagenome-encoded biosynthetic machinery predicted to produce palmerolide A was found to be associated with the genome of a member of the S. adareanum core microbiome. Phylogenomic analysis suggests the organism represents a new deeply-branching genus, Candidatus Synoicihabitans palmerolidicus, in the Opitutaceae family of the Verrucomicrobia phylum. The Ca . S. palmerolidicus 4.29 Mb genome encodes a repertoire of carbohydrate-utilizing and transport pathways enabling its ascidian-associated lifestyle. The palmerolide-producer’s genome also contains five distinct copies of the large palmerolide biosynthetic gene cluster that may provide structural complexity of palmerolide variants.

Abstract Complex interactions exist between microbiomes and their hosts. Increasingly, defensive metabolites that have been attributed to host biosynthetic capability are now being recognized as products of host-associated microbes. These unique metabolites often have bioactivity targets in human disease and can be purposed as pharmaceuticals. Polyketides are a complex family of natural products that often serve as defensive metabolites for competitive or pro-survival purposes for the producing organism, while demonstrating bioactivity in human diseases as cholesterol lowering agents, anti-infectives, and anti-tumor agents. Marine invertebrates and microbes are a rich source of polyketides. Palmerolide A, a polyketide isolated from the Antarctic ascidian Synoicum adareanum , is a vacuolar-ATPase inhibitor with potent bioactivity against melanoma cell lines. The biosynthetic gene clusters (BGCs) responsible for production of secondary metabolites are encoded in the genomes of the producers as discrete genomic elements. A candidate palmerolide BGC was identified from a S. adareanum microbiome-metagenome based on a high degree of congruence with a chemical structure-based retrobiosynthetic prediction. Protein family homology analysis, conserved domain searches, active site and motif identification were used to identify and propose the function of the ∼75 kb trans -acyltransferase (AT) polyketide synthase-non-ribosomal synthase (PKS-NRPS) domains responsible for the stepwise synthesis of palmerolide A. Though PKS systems often act in a predictable co-linear sequence, this BGC includes multiple trans -acting enzymatic domains, a non-canonical condensation termination domain, a bacterial luciferase-like monooxygenase (LLM), and is found in multiple copies within the metagenome-assembled genome (MAG). Detailed inspection of the five highly similar pal BGC copies suggests the potential for biosynthesis of other members of the palmerolide chemical family. This is the first delineation of a biosynthetic gene cluster from an Antarctic microbial species, recently proposed as Candidatus Synoicohabitans palmerolidicus. These findings have relevance for fundamental knowledge of PKS combinatorial biosynthesis and could enhance drug development efforts of palmerolide A through heterologous gene expression.