Antibody-mediated isolation and investigation of CPR bacteria

• Applicant: Professorin Dr. Marie Schölmerich
• Subject Area: Metabolism, Biochemistry and Genetics of Microorganisms
• Term: from 2020 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 447383558

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Das Projekt „Antikörper-vermittelte Isolation und Untersuchung von CPR-Bakterien“ zielte darauf ab, Methoden zur Isolierung von Candidate Phyla Radiation (CPR)-Bakterien zu entwickeln, um deren Physiologie und Biochemie besser zu verstehen. Diese Bakterien machen etwa ein Viertel der bekannten mikrobiellen Vielfalt aus und wurden bisher hauptsächlich auf genomischer Ebene untersucht. Durch die Entwicklung spezifischer Antikörper für CPR-Bakterien aus kalifornischem Grundwasser sollten diese isoliert und detailliert charakterisiert werden. Aufgrund der COVID-19-Pandemie verzögerte sich der Projektstart, und es gab Einschränkungen beim Zugang zu Laboren. Dies führte zu einer Neuorientierung des Projekts, das sich dann auf die Untersuchung neuartiger DNA-Elemente, „Borgs“, konzentrierte. Diese wurden in Feuchtgebieten in Lake County, Kalifornien, entdeckt. Erste Analysen zeigten, dass diese Elemente Gene für die Methyl-CoM Reduktase (MCR) kodieren, was auf eine mögliche Assoziation mit methanotrophen Archaeen hinweist. Die Borg-Elemente wurden als einzigartig und neuartig erkannt, was zu umfangreichen Folgeuntersuchungen führte. Studien zeigten, dass Borgs Tandem-DNA-Wiederholungen enthalten, die eine Rolle in der schnellen Evolution und möglicherweise in der Interaktion mit Wirtsorganismen spielen. Weiterführende Analysen ergaben die Existenz zahlreicher weiterer Borg-Genome und ermöglichten die Erstellung eines phylogenetischen Baumes. Es wurde festgestellt, dass Borgs elektrokonduktive Proteine kodieren, die eine Rolle im Elektronentransfer der Wirtsorganismen spielen könnten. Die in situ Expression der Borg-Genome deutet auf ihre aktive Rolle im natürlichen Methanzyklus hin. Obwohl das Projekt hauptsächlich Grundlagenforschung war, könnten die gefundenen Plasmide als Vektoren für genetische Modifikationen in methanotrophen Archaeen dienen, um beispielsweise Methanemissionen zu reduzieren. Während des Projekts konnte ich mit renommierten Wissenschaftlern und Institutionen zusammenarbeiten, darunter Oxford Nanopore Technologies, das Institut Pasteur und das MIT.

Publications

• A widespread group of large plasmids in methanotrophic Methanoperedens archaea. Nature Communications, 13(1).
  Schoelmerich, Marie C.; Ouboter, Heleen T.; Sachdeva, Rohan; Penev, Petar I.; Amano, Yuki; West-Roberts, Jacob; Welte, Cornelia U. & Banfield, Jillian F.
  
• Borgs are giant genetic elements with potential to expand metabolic capacity. Nature, 610(7933), 731-736.
  Al-Shayeb, Basem; Schoelmerich, Marie C.; West-Roberts, Jacob; Valentin-Alvarado, Luis E.; Sachdeva, Rohan; Mullen, Susan; Crits-Christoph, Alexander; Wilkins, Michael J.; Williams, Kenneth H.; Doudna, Jennifer A. & Banfield, Jillian F.
  
• Aerobic marine bacteria can use H2 for growth. Trends in Microbiology, 31(6), 554-555.
  Schoelmerich, Marie Charlotte
  
• Infant microbiome cultivation and metagenomic analysis reveal Bifidobacterium 2’-fucosyllactose utilization can be facilitated by coexisting species. Nature Communications, 14(1).
  Lou, Yue Clare; Rubin, Benjamin E.; Schoelmerich, Marie C.; DiMarco, Kaden S.; Borges, Adair L.; Rovinsky, Rachel; Song, Leo; Doudna, Jennifer A. & Banfield, Jillian F.
  
• Tandem repeats in giant archaeal Borg elements undergo rapid evolution and create new intrinsically disordered regions in proteins. PLOS Biology, 21(1), e3001980.
  Schoelmerich, Marie Charlotte; Sachdeva, Rohan; West-Roberts, Jacob; Waldburger, Lucas & Banfield, Jillian F.
  
• Asgard archaea modulate potential methanogenesis substrates in wetland soil. Nature Communications, 15(1).
  Valentin-Alvarado, Luis E.; Appler, Kathryn E.; De Anda, Valerie; Schoelmerich, Marie C.; West-Roberts, Jacob; Kivenson, Veronika; Crits-Christoph, Alexander; Ly, Lynn; Sachdeva, Rohan; Greening, Chris; Savage, David F.; Baker, Brett J. & Banfield, Jillian F.
  
• Borg extrachromosomal elements of methane-oxidizing archaea have conserved and expressed genetic repertoires. Nature Communications, 15(1).
  Schoelmerich, Marie C.; Ly, Lynn; West-Roberts, Jacob; Shi, Ling-Dong; Shen, Cong; Malvankar, Nikhil S.; Taib, Najwa; Gribaldo, Simonetta; Woodcroft, Ben J.; Schadt, Christopher W.; Al-Shayeb, Basem; Dai, Xiaoguang; Mozsary, Christopher; Hickey, Scott; He, Christine; Beaulaurier, John; Juul, Sissel; Sachdeva, Rohan & Banfield, Jillian F.
  
• Methanotrophic Methanoperedens archaea host diverse and interacting extrachromosomal elements. Nature Microbiology, 9(9), 2422-2433.
  Shi, Ling-Dong; West-Roberts, Jacob; Schoelmerich, Marie C.; Penev, Petar I.; Chen, LinXing; Amano, Yuki; Lei, Shufei; Sachdeva, Rohan & Banfield, Jillian F.