Numerous microbes inhabit the human intestine, many of which are uncharacterized or uncultivable. They form a complex microbial community that deeply affects human physiology. To identify the genomic features common to all human gut microbiomes as well as those variable among them, we performed a large-scale comparative metagenomic analysis of fecal samples from 13 healthy individuals of various ages, including unweaned infants. We found that, while the gut microbiota from unweaned infants were simple and showed a high inter-individual variation in taxonomic and gene composition, those from adults and weaned children were more complex but showed a high functional uniformity regardless of age or sex. In searching for the genes over-represented in gut microbiomes, we identified 237 gene families commonly enriched in adult-type and 136 families in infant-type microbiomes, with a small overlap. An analysis of their predicted functions revealed various strategies employed by each type of microbiota to adapt to its intestinal environment, suggesting that these gene sets encode the core functions of adult and infant-type gut microbiota. By analysing the orphan genes, 647 new gene families were identified to be exclusively present in human intestinal microbiomes. In addition, we discovered a conjugative transposon family explosively amplified in human gut microbiomes, which strongly suggests that the intestine is a ‘hot spot’ for horizontal gene transfer between microbes.

The 4 202 353 bp genome of the alkaliphilic bacterium Bacillus halodurans C-125 contains 4066 predicted protein coding sequences (CDSs), 2141 (52.7%) of which have functional assignments, 1182 (29%) of which are conserved CDSs with unknown function and 743 (18. 3%) of which have no match to any protein database. Among the total CDSs, 8.8% match sequences of proteins found only in Bacillus subtilis and 66.7% are widely conserved in comparison with the proteins of various organisms, including B.subtilis. The B. halodurans genome contains 112 transposase genes, indicating that transposases have played an important evolutionary role in horizontal gene transfer and also in internal genetic rearrangement in the genome. Strain C-125 lacks some of the necessary genes for competence, such as comS, srfA and rapC, supporting the fact that competence has not been demonstrated experimentally in C-125. There is no paralog of tupA, encoding teichuronopeptide, which contributes to alkaliphily, in the C-125 genome and an ortholog of tupA cannot be found in the B.subtilis genome. Out of 11 sigma factors which belong to the extracytoplasmic function family, 10 are unique to B. halodurans, suggesting that they may have a role in the special mechanism of adaptation to an alkaline environment.

The domain Archaea has historically been divided into two phyla, the Crenarchaeota and Euryarchaeota . Although regarded as members of the Crenarchaeota based on small subunit rRNA phylogeny, environmental genomics and efforts for cultivation have recently revealed two novel phyla/divisions in the Archaea ; the ' Thaumarchaeota ' and ' Korarchaeota '. Here, we show the genome sequence of Candidatus ' Caldiarchaeum subterraneum ' that represents an uncultivated crenarchaeotic group. A composite genome was reconstructed from a metagenomic library previously prepared from a microbial mat at a geothermal water stream of a sub-surface gold mine. The genome was found to be clearly distinct from those of the known phyla/divisions, Crenarchaeota (hyperthermophiles), Euryarchaeota , Thaumarchaeota and Korarchaeota . The unique traits suggest that this crenarchaeotic group can be considered as a novel archaeal phylum/division. Moreover, C. subterraneum harbors an ubiquitin-like protein modifier system consisting of Ub, E1, E2 and small Zn RING finger family protein with structural motifs specific to eukaryotic system proteins, a system clearly distinct from the prokaryote-type system recently identified in Haloferax and Mycobacterium . The presence of such a eukaryote-type system is unprecedented in prokaryotes, and indicates that a prototype of the eukaryotic protein modifier system is present in the Archaea .

The amphipod Hirondellea gigas inhabits the deepest regions of the oceans in extra high-pressure. However, the mechanisms by which they adapt to their high-pressure environments remain unknown. In this study, we investigated elements of the exoskeleton of H. gigas captured from the deepest points of the Mariana Trench. The H. gigas exoskeleton contained aluminum, as well as a major amount of calcium carbonate. Unlike other accumulated metals, aluminum was distributed on the surface of exoskeletons. To investigate how H. gigas obtains aluminum, we conducted a metabolome analysis and found that gluconic acid/gluconolactone was capable of extracting metals from the sediment under the habitat conditions of H. gigas. The extracted aluminum ions are transformed into the gel state of aluminum hydroxide in alkaline seawater, and this gel covers the body to protect the amphipod. The aluminum gel would be one of good materials to adapt to such high-pressure environment.

ABSTRACT Nitrogen fixation is the major source of reactive nitrogen in the ocean and has been considered to occur specifically in low-latitude oligotrophic oceans. Recent studies have shown that nitrogen fixation also occurs in the polar regions and thus is a global process, although the physiological and ecological characteristics of polar diazotrophs are not yet known. Here, we successfully reconstructed genomes, including that of cyanobacterium UCYN-A ( Candidatus ‘Atelocyanobacterium thalassa’), from metagenome data corresponding to 111 samples isolated from the Arctic Ocean. These diazotrophs were highly abundant in the Arctic Ocean (max., 1.28% of the total microbial community), suggesting that they have important roles in the Arctic ecosystem and biogeochemical cycles. Diazotrophs in the Arctic Ocean were either Arctic-specific or universal species. Arctic-specific diazotrophs, including Arctic UCYN-A, had unique gene sets (e.g., aromatics degradation) and/or a very small cell size (<0.2 µm), suggesting adaptations to Arctic-specific conditions. Universal diazotrophs were generally heterotrophs and commonly had the gene that encodes the cold-inducible RNA chaperone, which presumably makes their survival possible even in deep, cold waters and polar regions. Thus both types of diazotroph have physiological traits adaptable to their environments, which allow nitrogen fixation on a global scale.