Shewanella oneidensis MR-1 produced electrically conductive pilus-like appendages called bacterial nanowires in direct response to electron-acceptor limitation. Mutants deficient in genes for c -type decaheme cytochromes MtrC and OmcA, and those that lacked a functional Type II secretion pathway displayed nanowires that were poorly conductive. These mutants were also deficient in their ability to reduce hydrous ferric oxide and in their ability to generate current in a microbial fuel cell. Nanowires produced by the oxygenic phototrophic cyanobacterium Synechocystis PCC6803 and the thermophilic, fermentative bacterium Pelotomaculum thermopropionicum reveal that electrically conductive appendages are not exclusive to dissimilatory metal-reducing bacteria and may, in fact, represent a common bacterial strategy for efficient electron transfer and energy distribution.

In bioluminescent bacteria growing in shake flasks, the enzyme luciferase has been shown to be synthesized in a relatively short burst during the period of exponential growth. The luciferase gene appears to be completely inactive in a freshly inoculated culture; the pulse of preferential luciferase synthesis which occurs later is the consequence of its activation at the level of deoxyribonucleic acid transcription which is attributed to an effect of a “conditioning” of the medium by the growing of cells. Although cells grown in a minimal medium also exhibit a similar burst of synthesis of the luminescent system, the amount of synthesis is quantitatively less, relative to cell mass. Under such conditions, added arginine results in a striking stimulation of bioluminescence. This is attributed to a stimulation of existing patterns of synthesis and not to induction or derepression per se.

Synthesis of bacterial luciferase in some strains of luminous bacteria requires a threshold concentration of an autoinducer synthesized by the bacteria and excreted into the medium. Autoinducer excreted by Photobacterium fischeri strain MJ-1 was isolated from the cell-free medium by extraction with ethyl acetate, evaporation of solvent, workup with ethanol-water mixtures, and silica gel chromatography, followed by normal-phase and then reverse-phase high-performance liquid chromatography. The final product was greater than 99% pure. The structure of the autoinducer as determined by high-resolution 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy, infrared spectroscopy, and high-resolution mass spectrometry was N-(3-oxohexanoly)-3-aminodihydro-2(3H)-furanone [or N-(beta-ketocaproyl)homoserine lactone]. The formation of homoserine by hydrolysis of the autoinducer was consistent with this structure. Synthetic autoinducer, obtained as a racemate, was prepared by coupling homoserine lactone to the ethylene glycol ketal of sodium 3-oxohexanoate, followed by mildly acidic removal of the protecting group; this synthetic material showed the appropriate biological activity.

Recombinant E. coli that produce light were found in a clone library of hybrid plasmids containing DNA from the marine bacterium Vibrio fischeri. All luminescent clones had a 16 kb insert that encoded enzymatic activities for the light reaction as well as regulatory functions necessary for expression of the luminescence phenotype (Lux). Mutants generated by transposons Tn5 and mini-Mu were used to define Lux functions and to determine the genetic organization of the lux region. Regulatory and enzymatic functions were assigned to regions of two lux operons. With transcriptional fusions between the lacZ gene on transposon mini-Mu and the target gene, expression of lux operons could be measured in the absence of light production. The direction of transcription of lux operons was deduced from the orientation of mini-Mu insertions in the fusion plasmids. Induction of transcription of one lux operon required a function encoded by that operon (autoregulation). From these and other regulatory relationships, we propose a model for genetic control of light production.

Shewanella oneidensis is an important model organism for bioremediation studies because of its diverse respiratory capabilities, conferred in part by multicomponent, branched electron transport systems. Here we report the sequencing of the S. oneidensis genome, which consists of a 4,969,803–base pair circular chromosome with 4,758 predicted protein-encoding open reading frames (CDS) and a 161,613–base pair plasmid with 173 CDSs. We identified the first Shewanella lambda-like phage, providing a potential tool for further genome engineering. Genome analysis revealed 39 c-type cytochromes, including 32 previously unidentified in S. oneidensis, and a novel periplasmic [Fe] hydrogenase, which are integral members of the electron transport system. This genome sequence represents a critical step in the elucidation of the pathways for reduction (and bioremediation) of pollutants such as uranium (U) and chromium (Cr), and offers a starting point for defining this organism's complex electron transport systems and metal ion–reducing capabilities.

The deep subseafloor biosphere is among the least-understood habitats on Earth, even though the huge microbial biomass therein plays an important role for potential long-term controls on global biogeochemical cycles. We report here the vertical and geographical distribution of microbes and their phylogenetic diversities in deeply buried marine sediments of the Pacific Ocean Margins. During the Ocean Drilling Program Legs 201 and 204, we obtained sediment cores from the Peru and Cascadia Margins that varied with respect to the presence of dissolved methane and methane hydrate. To examine differences in prokaryotic distribution patterns in sediments with or without methane hydrates, we studied >2,800 clones possessing partial sequences (400–500 bp) of the 16S rRNA gene and 348 representative clone sequences (≈1 kbp) from the two geographically separated subseafloor environments. Archaea of the uncultivated Deep-Sea Archaeal Group were consistently the dominant phylotype in sediments associated with methane hydrate. Sediment cores lacking methane hydrates displayed few or no Deep-Sea Archaeal Group phylotypes. Bacterial communities in the methane hydrate-bearing sediments were dominated by members of the JS1 group, Planctomycetes, and Chloroflexi. Results from cluster and principal component analyses, which include previously reported data from the West and East Pacific Margins, suggest that, for these locations in the Pacific Ocean, prokaryotic communities from methane hydrate-bearing sediment cores are distinct from those in hydrate-free cores. The recognition of which microbial groups prevail under distinctive subseafloor environments is a significant step toward determining the role these communities play in Earth’s essential biogeochemical processes.

The genus Shewanella has been studied since 1931 with regard to a variety of topics of relevance to both applied and environmental microbiology. Recent years have seen the introduction of a large number of new Shewanella-like isolates, necessitating a coordinated review of the genus. In this work, the phylogenetic relationships among known shewanellae were examined using a battery of morphological, physiological, molecular and chemotaxonomic characterizations. This polyphasic taxonomy takes into account all available phenotypic and genotypic data and integrates them into a consensus classification. Based on information generated from this study and obtained from the literature, a scheme for the identification of Shewanella species has been compiled. Key phenotypic characteristics were sulfur reduction and halophilicity. Fatty acid and quinone profiling were used to impart an additional layer of information. Molecular characterizations employing small-subunit 16S rDNA sequences were at the limits of resolution for the differentiation of species in some cases. As a result, DNA-DNA hybridization and sequence analyses of a more rapidly evolving molecule (gyrB gene) were performed. Species-specific PCR probes were designed for the gyrB gene and used for the rapid screening of closely related strains. With this polyphasic approach, in addition to the ten described Shewanella species, two new species, Shewanella oneidensis and ‘Shewanella pealeana’, were recognized; Shewanella oneidensis sp. nov. is described here for the first time.

Bacterial nanowires are extracellular appendages that have been suggested as pathways for electron transport in phylogenetically diverse microorganisms, including dissimilatory metal-reducing bacteria and photosynthetic cyanobacteria. However, there has been no evidence presented to demonstrate electron transport along the length of bacterial nanowires. Here we report electron transport measurements along individually addressed bacterial nanowires derived from electron-acceptor-limited cultures of the dissimilatory metal-reducing bacterium Shewanella oneidensis MR-1. Transport along the bacterial nanowires was independently evaluated by two techniques: (i) nanofabricated electrodes patterned on top of individual nanowires, and (ii) conducting probe atomic force microscopy at various points along a single nanowire bridging a metallic electrode and the conductive atomic force microscopy tip. The S. oneidensis MR-1 nanowires were found to be electrically conductive along micrometer-length scales with electron transport rates up to 10(9)/s at 100 mV of applied bias and a measured resistivity on the order of 1 Ω·cm. Mutants deficient in genes for c-type decaheme cytochromes MtrC and OmcA produce appendages that are morphologically consistent with bacterial nanowires, but were found to be nonconductive. The measurements reported here allow for bacterial nanowires to serve as a viable microbial strategy for extracellular electron transport.

Over 100 high-precision Fe isotope analyses of rocks and minerals are now available, which constrain the range in δ56Fe values (per mil deviations in 56Fe/54Fe ratios) in nature from −2.50‰ to +1.5‰. Re-assessment of the range of δ56Fe values for igneous rocks, using new ultra-high-precision analytical methods discussed here, indicate that igneous Fe is isotopically homogeneous to ±0.05‰, which represents an unparalleled baseline with which to interpret Fe isotope variations in nature. All of the isotopic variability in nature lies in fluids, rocks, and minerals that formed at low temperature. Equilibrium (“abiotic”) isotopic fractionations at low temperatures may explain the range in δ56Fe values; experimental measurements indicate that there is a large isotopic fractionation between aqueous Fe(III) and Fe(II) (ΔFe(III)–Fe(II)=2.75‰). However, many of the natural samples that have been analyzed have an unquestionable biologic component to their genesis, and the range in δ56Fe values are also consistent with the experimentally measured isotopic fractionations produced by Fe-reducing bacteria. In this work, we touch on a number of aspects of Fe isotope geochemistry that bear on its application to geochemical problems in general, and biological cycling of metals in particular. We report on new state-of-the-art Fe isotope analytical procedures, which allow precisions of ±0.05‰ (56Fe/54Fe) on samples <300 ng in size. In addition, we discuss the implications of experimental work on Fe isotope fractionations during metabolic processing of Fe by bacteria and the need to take a “mechanistic” approach to understanding the pathways in which Fe isotopes may be uniquely fractionated by biology. Additionally, we discuss experimental methods, such as the use of enriched isotope tracers that are necessary to evaluate if experimental isotope exchange reactions are transient kinetic fractionations, equilibrium isotopic exchange reactions, or a combination of both, which can be caused by the complexities of multiple isotope exchange reactions taking place in an experimental system.

The technique of oligonucletide cataloging shows the purple photosynthetic eubacteria to comprise three major subdivisions, temporarily called alpha, beta, and gamma - previously designated groups I–III by Gibson et al. (1979). Each subdivision contains a number of non-photosynthetic genera in addition to the photosynthetic ones. The alpha subdivision, the subject of the present report, contains most but not all of the species that fall into the classically defined genera Rhodospirillum, Rhodopseudomonas and Rhodomicrobium. Intermingled with these are a variety of non-photosynthetic species from genera such as Agrobacterium, Rhizobium, Azospirillum, Nitrobacter, Erythrobacter, Phenylobacterium, Aquaspirillum, and Paracoccus. The phylogenetic substructure of the alpha subdivision is presented and the evolutionary significance of the admixture of biochemical phenotypes is discussed.