Clostridium kluyveri is unique among the clostridia; it grows anaerobically on ethanol and acetate as sole energy sources. Fermentation products are butyrate, caproate, and H 2 . We report here the genome sequence of C. kluyveri , which revealed new insights into the metabolic capabilities of this well studied organism. A membrane-bound energy-converting NADH:ferredoxin oxidoreductase (RnfCDGEAB) and a cytoplasmic butyryl-CoA dehydrogenase complex (Bcd/EtfAB) coupling the reduction of crotonyl-CoA to butyryl-CoA with the reduction of ferredoxin represent a new energy-conserving module in anaerobes. The genes for NAD-dependent ethanol dehydrogenase and NAD(P)-dependent acetaldehyde dehydrogenase are located next to genes for microcompartment proteins, suggesting that the two enzymes, which are isolated together in a macromolecular complex, form a carboxysome-like structure. Unique for a strict anaerobe, C. kluyveri harbors three sets of genes predicted to encode for polyketide/nonribosomal peptide synthetase hybrides and one set for a nonribosomal peptide synthetase. The latter is predicted to catalyze the synthesis of a new siderophore, which is formed under iron-deficient growth conditions.

ABSTRACT Cell extracts of butyrate-forming clostridia have been shown to catalyze acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA)- and ferredoxin-dependent formation of H 2 from NADH. It has been proposed that these bacteria contain an NADH:ferredoxin oxidoreductase which is allosterically regulated by acetyl-CoA. We report here that ferredoxin reduction with NADH in cell extracts from Clostridium kluyveri is catalyzed by the butyryl-CoA dehydrogenase/Etf complex and that the acetyl-CoA dependence previously observed is due to the fact that the cell extracts catalyze the reduction of acetyl-CoA with NADH via crotonyl-CoA to butyryl-CoA. The cytoplasmic butyryl-CoA dehydrogenase complex was purified and is shown to couple the endergonic reduction of ferredoxin (E 0 ′ = −410 mV) with NADH (E 0 ′ = −320 mV) to the exergonic reduction of crotonyl-CoA to butyryl-CoA (E 0 ′ = −10 mV) with NADH. The stoichiometry of the fully coupled reaction is extrapolated to be as follows: 2 NADH + 1 oxidized ferredoxin + 1 crotonyl-CoA = 2 NAD + + 1 ferredoxin reduced by two electrons + 1 butyryl-CoA. The implications of this finding for the energy metabolism of butyrate-forming anaerobes are discussed in the accompanying paper.

ABSTRACT Recognizing outcomes of DNA repair induced by CRISPR-Cas9 cutting is vital for precise genome editing. Reported DNA repair outcomes after Cas9 cutting include deletions/insertions and low frequency of genomic rearrangements and nucleotide substitutions. Thus far, substitution mutations caused by CRISPR-Cas9 has not attracted much attention. Here, we identified on-target point mutations induced by CRISPR-Cas9 treatment in the yeast Xanthophyllomyces dendrorhous by Sanger and Illumina sequencing. Different from previous studies, our findings suggested that the on-target mutations are not random and they cannot render the gRNA effective. Moreover, these point mutations showed strong sequence dependence that is not consistent with the observations in Hela cells, in which CRISPR-mediated substitutions were considered lacking sequence dependence and conversion preferences. Furthermore, this study demonstrated that the NHEJ components Ku70, Ku80, Mre11 , or RAD50 , and the overlapping roles of non-essential DNA polymerases were necessary for the emergence of point mutations, increasing the knowledge on CRISPR-Cas9 mediated DNA repair.

Pectin deconstruction is the initial step in breaking the recalcitrance of plant biomass by using selected microorganisms that carry pectinolytic enzymes. Pectate lyases that cleave α-1,4-galacturonosidic linkage of pectin are widely used in industries, such as paper making and fruit softening. However, reports on pectate lyases with high thermostability are few. Two pectate lyases (CbPL3 and CbPL9) from a thermophilic bacterium Caldicellulosiruptor bescii were investigated. Although these two enzymes belonged to different families of polysaccharide lyase, both were Ca2+-dependent. Similar biochemical properties were shown under optimized conditions 80 °C - 85 °C and pH 8-9. However, the degradation products on pectin and polygalacturonic acids (pGA) were different, revealing the distinct mode of action. A concanavalin A-like lectin/glucanase (CALG) domain, located in the N-terminus of two CbPLs, shares 100% amino acid identity. CALG-truncated mutant of CbPL9 showed lower activities than the wild-type, whereas the CbPL3 with CALG knock-out portion was reported with enhanced activities, thereby revealing the different roles of CALG in two CbPLs. I-TASSER predicted that the CALG in two CbPLs is structurally close to the family 66 carbohydrate binding module (CBM66). Furthermore, substrate-binding assay indicated that the catalytic domains in two CbPLs had strong affinities on pectate-related substrates, but CALG showed weak interaction with a number of lignocellulosic carbohydrates, except sodium carboxymethyl cellulose and sodium alginate. Finally, scanning electron microscope analysis and total reducing sugar assay showed that the two enzymes could improve the saccharification of switchgrass. The two CbPLs are impressive sources for degradation of plant biomass.

Abstract Brain and neurological diseases are influencing more than one billion world’s people. Nervonic acid (cis-15-tetracosenoic acid, C24:1 Δ15) benefits the treatment of neurological diseases and the health of brain. Currently, the sources of nervonic acid are limited to the seeds of a couple of plants. In this study, we employed the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica to overproduce nervonic acid oil by systematic metabolic engineering. First, engineering the fatty acid elongation (FAE) pathway by expressing a heterologous β-ketoacyl-CoA synthase gene CgKCS enabled the production of nervonic acid in Y. lipolytica. Second, modulation of endogenous pathways by expressing a C16:0-acyl-CoA preferred fatty acid elongase gELOVL6 together with a C18:0-acyl-CoA preferred fatty acid desaturase MaOLE2 increased the content of nervonic acid in total fatty acids (TFA). Third, iterative expression of CgKCS , gELOVL6 and MaOLE2 at the genomic loci of rDNA , FAD2 , TGL4 , GSY1 and SNF1 dramatically improved the production of nervonic acid. Fourth, the biosynthesis of both nervonic acid and lipids were further enhanced by expression of the MaOLE2-CgKCS fusion protein and glycerol-3-phosphate acyltransferases (GPAT) and diacylglycerol acyltransferases (DGAT) from Malania oleifera in the endoplasmic reticulum (ER) membrane. Fifth, an ER structure regulator YlINO2 was identified in Y. lipolytica and the overexpression of YlINO2 led to a 39.3% increase in lipid production. Next, pilot-scale fermentation in 50-L reactor using the strain YLNA9 exhibited a lipid titer of 96.7 g/L and a nervonic acid titer of 17.3 g/L, the highest reported titer to date for de novo nervonic acid production. We also found that disruption of the AMP-activated S/T protein kinase SNF1 increased the ratio of nervonic acid (C24:1) to lignoceric acid (C24:0) by 61.6% and a ratio of 3.5:1 (nervonic acid to lignoceric acid) was achieved in the strain YLNA10. Finally, a proof-of-concept purification and separation of nervonic acid were performed and the purity of it reached 98.7%. This study suggested that oleaginous yeasts are attractive hosts for the cost-efficient production of nervonic acid and possibly other very long-chain fatty acids (VLCFAs).

Orbital angular momentum (OAM) entangled photon pairs with narrow bandwidths play a crucial role in the interaction of light and quantum states of matter. In this article, we demonstrate an approach for generating OAM entangled photon pairs with a narrow bandwidth by using a single driving beam in a 85 Rb atomic vapor cell. This single driving beam is able to simultaneously couple two atomic transitions and directly generate OAM entangled biphotons by leveraging the OAM conservation law through the spontaneous four-wave mixing (SFWM) process. The photon pairs exhibit a maximum cross-correlation function value of 27.7 and a linewidth of 4 MHz. The OAM entanglement is confirmed through quantum state tomography, revealing a fidelity of 95.7% and a concurrence of 0.926 when compared to the maximally entangled state. Our scheme is notably simpler than previously proposed schemes and represents the first demonstration of generating subnatural-linewidth entangled photon pairs in hot atomic systems.

SUMMARY Commensal bacteria are core players in wound healing whose function in the opposite pathophysiological process-scarring is presently unclear. Here, we document the association between bacteria and a specific skin fibrotic disease-keloid, which might offer a promising avenue for translational practice. ABSTRACT Wound healing is an intensely studied topic involved in many relevant pathophysiological processes, including fibrosis. Despite the large interest in fibrosis, the network that related to commensal microbiota and skin fibrosis remain mysterious. Here, we pay attention to keloid, a classical yet intractable skin fibrotic disease to establish the association between commensal microbiota to scaring tissue. Our histological data reveal the presence of microbiota in the keloids. 16S rRNA sequencing characterize microbial composition and divergence between the pathological and normal skin tissue. Moreover, the data show elevation of interleukin-8 both in the circulation and keloid tissue, which elicited the collagen accumulation and migratory program of dermal fibroblasts via CXCR1/2 receptor. Our research provides insights into the pathology of human fibrotic diseases, advocating commensal bacteria and IL-8 signaling as useful targets in future interventions of recurrent keloid disease.

Abstract The interaction between vector beams and atoms under a weak magnetic field could induce spatially dependent electromagnetically induced transparency (EIT). Based on such a coherence effect, we propose a method for manipulating vector beams carrying spiral varying phases in hot rubidium atoms. When a transverse magnetic field (TMF) is applied, the transparent regions of the transmitted beam are strongly depend on the beam’s polarization distribution. In addition to the intensity modulation, the alignment of the TMF is reflected in the rotation of the central symmetric transmission patterns. In theory, we discuss the physical mechanism of the spiral EIT region generated by the phase profile, and analyze the influence of system parameters on this coherent process. Our work confirms that introducing additional radial phases can also lead to spatially dependent EIT, which extends another degree of freedom to manipulate atomic polarization. This will provide potential applications in light field manipulation and multi-dimensional quantum storage.