Background: Blooms of toxic cyanobacteria (blue-green algae) have become increasingly common in the surface waters of the world. Of the known toxins produced by cyanobacteria, the microcystins are the most significant threat to human and animal health. These cyclic peptides are potent inhibitors of eukaryotic protein phosphatases type 1 and 2A. Synthesized nonribosomally, the microcystins contain a number of unusual amino acid residues including the β-amino polyketide moiety Adda (3-amino-9-methoxy-2,6,8-trimethyl-10-phenyl-4,6-decadienoic acid). We have characterized the microcystin biosynthetic gene cluster from Microcystis aeruginosa PCC7806.Results: A cluster spanning 55 kb, composed of 10 bidirectionally transcribed open reading frames arranged in two putative operons (mcyA–C and mcyD–J), has been correlated with microcystin formation by gene disruption and mutant analysis. Of the 48 sequential catalytic reactions involved in microcystin synthesis, 45 have been assigned to catalytic domains within six large multienzyme synthases/synthetases (McyA–E, G), which incorporate the precursors phenylacetate, malonyl-CoA, S-adenosyl-L-methionine, glutamate, serine, alanine, leucine, D-methyl-isoaspartate, and arginine. The additional four monofunctional proteins are putatively involved in O-methylation (McyJ), epimerization (McyF), dehydration (McyI), and localization (McyH). The unusual polyketide amino acid Adda is formed by transamination of a polyketide precursor as enzyme-bound intermediate, and not released during the process.Conclusions: This report is the first complete description of the biosynthesis pathway of a complex cyanobacterial metabolite. The enzymatic organization of the microcystin assembly represents an integrated polyketide–peptide biosynthetic pathway with a number of unusual structural and enzymatic features. These include the integrated synthesis of a β-amino-pentaketide precursor and the formation of β- and γ-carboxyl-peptide bonds, respectively. Other features of this complex system also observed in diverse related biosynthetic clusters are integrated C- and N-methyltransferases, an integrated aminotransferase, and an associated O-methyltransferase and a racemase acting on acidic amino acids.

Microcystins are cyanobacterial toxins that represent a serious threat to drinking water and recreational lakes worldwide. Here, we show that microcystin fulfils an important function within cells of its natural producer Microcystis. The microcystin deficient mutant ΔmcyB showed significant changes in the accumulation of proteins, including several enzymes of the Calvin cycle, phycobiliproteins and two NADPH-dependent reductases. We have discovered that microcystin binds to a number of these proteins in vivo and that the binding is strongly enhanced under high light and oxidative stress conditions. The nature of this binding was studied using extracts of a microcystin-deficient mutant in vitro. The data obtained provided clear evidence for a covalent interaction of the toxin with cysteine residues of proteins. A detailed investigation of one of the binding partners, the large subunit of RubisCO showed a lower susceptibility to proteases in the presence of microcystin in the wild type. Finally, the mutant defective in microcystin production exhibited a clearly increased sensitivity under high light conditions and after hydrogen peroxide treatment. Taken together, our data suggest a protein-modulating role for microcystin within the producing cell, which represents a new addition to the catalogue of functions that have been discussed for microbial secondary metabolites.

Several bloom‐forming cyanobacterial genera produce potent inhibitors of eukaryotic protein phosphatases called microcystins. Microcystins are hepatotoxic cyclic heptapeptides and are presumed to be synthesized non‐ribosomally by peptide synthetases. We identified putative peptide synthetase genes in the microcystin‐producing strain Microcystis aeruginosa PCC 7806. Non‐hepatotoxic strains of M. aeruginosa lack these genes. Strain PCC 7806 was transformed to chloramphenicol resistance. The antibiotic resistance cassette insertionally inactivated a peptide synthetase gene of strain PCC 7806 as revealed by Southern hybridization and DNA amplification. This is the first report of genetic transformation and mutation, by homologous recombination, of a bloom‐forming cyanobacterium. Chemical and enzymatic analyses, including high‐performance liquid chromatography (HPLC), mass spectrometry, amino acid activation, and protein phosphatase inhibition, revealed the inability of derived mutant cells to produce any variant of microcystin while maintaining their ability to synthesize other small peptides. The disrupted gene therefore encodes a peptide synthetase (microcystin synthetase) that is specifically involved in the biosynthesis of microcystins. Our results confirm that microcystins are synthesized non‐ribosomally and that a basic difference between toxic and non‐toxic strains of M. aeruginosa is the presence of one or more genes coding for microcystin synthetases.

Polyketide synthases (PKS) perform a stepwise biosynthesis of diverse carbon skeletons from simple activated carboxylic acid units. The products of the complex pathways possess a wide range of pharmaceutical properties, including antibiotic, antitumor, antifungal, and immunosuppressive activities. We have performed a comprehensive phylogenetic analysis of multimodular and iterative PKS of bacteria and fungi and of the distinct types of fatty acid synthases (FAS) from different groups of organisms based on the highly conserved ketoacyl synthase (KS) domains. Apart from enzymes that meet the classification standards we have included enzymes involved in the biosynthesis of mycolic acids, polyunsaturated fatty acids (PUFA), and glycolipids in bacteria. This study has revealed that PKS and FAS have passed through a long joint evolution process, in which modular PKS have a central position. They appear to have derived from bacterial FAS and primary iterative PKS and, in addition, share a common ancestor with animal FAS and secondary iterative PKS. Furthermore, we have carried out a phylogenomic analysis of all modular PKS that are encoded by the complete eubacterial genomes currently available in the database. The phylogenetic distribution of acyltransferase and KS domain sequences revealed that multiple gene duplications, gene losses, as well as horizontal gene transfer (HGT) have contributed to the evolution of PKS I in bacteria. The impact of these factors seems to vary considerably between the bacterial groups. Whereas in actinobacteria and cyanobacteria the majority of PKS I genes may have evolved from a common ancestor, several lines of evidence indicate that HGT has strongly contributed to the evolution of PKS I in proteobacteria. Discovery of new evolutionary links between PKS and FAS and between the different PKS pathways in bacteria may help us in understanding the selective advantage that has led to the evolution of multiple secondary metabolite biosyntheses within individual bacteria.

Cyanobacteria of the Nostoc genus are capable of forming symbiotic relationships with plants, thus transitioning to a heterotrophic lifestyle in return for providing bioavailable nitrogen to the host. The diazotrophic photoautotrophs also serve as a hub for specialized heterotrophic bacterial communities whose physiological contributions are poorly understood. By comparing the axenic strain Nostoc punctiforme PCC 73102 and the related strains Nostoc sp. KVJ2 and KVJ3, which still maintain their heterotrophic microbiome, we were able to demonstrate an almost obligate dependence of the cyanobacteria on the heterotrophic partners under carbon-limiting conditions. Detailed analysis of the intimate bilateral relationship between N. punctiforme and the isolate Agrobacterium tumefaciens Het4 using shotgun proteomics and microscopy uncovered a complex partnership characterized, among other traits, by competition for iron and facilitation for carbon. Although competitive interactions with A. tumefaciens Het4 compromise nitrogen fixation and stimulate the degradation of cyanophycin, mutualistic dependency prevails under inorganic carbon limitation. Both the absence of the high affinity bicarbonate uptake transporter SbtA and the prevalent extracarboxysomal localization of the carbon-fixing enzyme RubisCO, as detected by immunofluorescence microscopy, suggest that a weak carbon concentrating mechanism in N. punctiforme enforces a dependence on heterotrophic bacteria. Further, immunofluorescence, electron microscopic and proteomic analyses reveal a pronounced extracellular recycling of proteins under N- and C-limiting conditions. Our study shows that the pivotal influence of heterotrophic bacteria on symbiotic Nostoc strains should be considered when analyzing these cyanobacteria, especially in the free-living state. This work also sheds new light on how Nostoc benefits from the organic carbon provided by plant hosts.

The frequent production of the hepatotoxin microcystin and its impact on the life-style of bloom-forming cyanobacteria are poorly understood. Here we report that microcystin interferes with the assembly and the subcellular localization of RubisCO, in Microcystis aeruginosa PCC7806. Immunofluorescence, electron microscopic and cellular fractionation studies revealed a pronounced heterogeneity in the subcellular localization of RubisCO. At high cell density, RubisCO particles are largely separate from carboxysomes in M. aeruginosa and relocate to the cytoplasmic membrane under high-light conditions. We hypothesize that the binding of microcystin to RubisCO promotes its membrane association and enables an extreme versatility of the enzyme. Steady-state levels of the RubisCO CO2 fixation product 3-phosphoglycerate are significantly higher in the microcystin-producing wild type. We also detected noticeable amounts of the RubisCO oxygenase reaction product secreted into the medium that may support the mutual interaction of M. aeruginosa with its heterotrophic microbial community.