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Extracting DNA from the Gut Microbes of the Termite (Zootermopsis Angusticollis) and Visualizing Gut Microbes

Termites are among the few animals known to have the capacity to subsist solely by consuming wood.  The termite gut tract contains a dense and ...

VSH-1 is a mitomycin C-inducible prophage of the anaerobic spirochete Brachyspira hyodysenteriae. Purified VSH-1 virions are noninfectious, contain random 7.5-kb fragments of the bacterial genome, and mediate generalized transduction of B. hyodysenteriae cells. In order to identify and sequence genes of this novel gene transfer agent (GTA), proteins associated either with VSH-1 capsids or with tails were purified by sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis. The N-terminal amino acid sequences of 11 proteins were determined. Degenerate PCR primers were designed from the amino acid sequences and used to amplify several VSH-1 genes from B. hyodysenteriae strain B204 DNA. A lambda clone library of B. hyodysenteriae B204 DNA was subsequently screened by Southern hybridization methods and used to identify and sequence overlapping DNA inserts containing additional VSH-1 genes. VSH-1 genes spanned 16.3 kb of the B. hyodysenteriae chromosome and were flanked by bacterial genes. VSH-1 identified genes and unidentified, intervening open reading frames were consecutively organized in head (seven genes), tail (seven genes), and lysis (four genes) clusters in the same transcriptional direction. Putative lysis genes encoding endolysin (Lys) and holin proteins were identified from sequence and structural similarities of their translated protein products with GenBank bacteriophage proteins. Recombinant Lys protein hydrolyzed peptidoglycan purified from B. hyodysenteriae cells. The identified VSH-1 genes exceed the DNA capacity of VSH-1 virions and do not encode traditional bacteriophage early functions involved in DNA replication. These genome properties explain the noninfectious nature of VSH-1 virions and further confirm its resemblance to known prophage-like, GTAs of other bacterial species, such as the GTA from Rhodobacter capsulatus. The identification of VSH-1 genes will enable analysis of the regulation of this GTA and should facilitate investigations of VSH-1-like prophages from other Brachyspira species.

Identification of genes of VSH-1, a prophage-like gene transfer agent of Brachyspira hyodysenteriae.

Identifizierung von Genen der VSH-1, ein Prophagen-&#xE4;hnlichen Gens Transferstelle Brachyspira hyodysenteriae.

The anaerobic spirochete Brachyspira hyodysenteriae is host to a bacteriophage-like agent known as VSH-1. VSH-1 is a novel gene transfer mechanism which does not self-propagate and transfers random 7.5kb fragments of host DNA between B. hyodysenteriae cells. In these investigations early events during VSH-1 induction by mitomycin C were examined. Quantitative PCR analysis revealed that VSH-1 hvp38 and hvp53 genes did not detectably increase in copy numbers during induction. Based on Northern blot hybridization assays, transcription of VSH-1 genes hvp38, hvp53, hvp45, hvp101, and lys increased fivefold to tenfold between 2 and 4h after induction whereas mRNA levels for B. hyodysenteriae flaA1 declined over the same time period. Chloramphenicol prevented the mitomycin C-induced increases in VSH-1 gene transcription. Hydrogen peroxide (300muM) substituted for mitomycin C as an inducer of VSH-1 gene transcription and is a possible 'natural' inducer of VSH-1 production in vivo. Northern blot hybridization, RT PCR, and primer extension analyses showed that VSH-1 genes are co-transcribed at an initiation site upstream of the VSH-1 gene operon. Two direct heptanucleotide repeats (ACTTATA) were identified between the putative -35 and -10 positions of the VSH-1 gene operon and are likely to represent a binding site for transcription proteins. These findings indicate VSH-1 virion production does not require genome replication, consistent with the inability of VSH-1 to self-propagate. Early events in VSH-1 induction include de novo synthesis of protein(s) essential for transcription of VSH-1 genes as polycistronic mRNA initiating upstream of the hvp45 gene.

Induction and transcription of VSH-1, a prophage-like gene transfer agent of Brachyspira hyodysenteriae.

Die anaerobe Spirochete Brachyspira Hyodysenteriae beherbergt ein Bakteriophage-wie Agent als VSH-1 bekannt. VSH-1 ist eine neuartige gen-Transfer-Mechanismus, der nicht self-propagate und zuf&auml;llige 7,5 kb Fragmente des Hosts DNA zwischen B. Hyodysenteriae Zellen &uuml;bertr&auml;gt. Diese Untersuchungen wurden fr&uuml;he Veranstaltungen w&auml;hrend der VSH-1 Induktion von Mitomycin C untersucht. Quantitative PCR-Analyse ergab, dass die VSH-1-hvp38- und hvp53-gen nicht detectably in Kopie Zahlen w&auml;hrend der Induktion gestiegen. Basierend auf Nordfleck Hybridisierungsassays, Transkription des VSH-1 Gene hvp38, hvp53, hvp45, hvp101 und Lys verf&uuml;nffacht sank im gleichen Zeitraum zu zehnfachen zwischen 2 und 4 h nach Induktion, w&auml;hrend die mRNA f&uuml;r B. Hyodysenteriae flaA1 Ebenen. Chloramphenikol verhindert die Mitomycin C-induzierten Anstieg VSH-1-Gen-Transkription. Wasserstoffperoxid (300muM) als ein Induktor der VSH-1-Gen-Transkription f&uuml;r Mitomycin C ersetzt und ist eine m&ouml;gliche &#39;nat&uuml;rlichen&#39; Induktor der VSH-1 Produktion in-vivo. Nordfleck-Hybridisierung, RT-PCR und Grundierung-Erweiterung-Analysen zeigten, dass die VSH-1-gen an eine Einleitung stromaufw&auml;rts von der VSH-1-Gen-Operon co-transcribed befinden. Zwei direkte Heptanucleotide Wiederholungen (ACTTATA) zwischen den vermeintlichen Positionen der VSH-1-Gen-Operon-35 und-10 identifiziert wurden und werden voraussichtlich eine Bindungsstelle f&uuml;r Transkription Proteine darstellen. Diese Befunde zeigen, dass die VSH-1 Virion Produktion Morphologie, Einklang mit der Unf&auml;higkeit der VSH-1 self-propagate nicht erforderlich ist. Fr&uuml;he Veranstaltungen in VSH-1 Induktion geh&ouml;ren de Novo Synthese der Proteine, die f&uuml;r die Transkription von Genen der VSH-1 als Polycistronic mRNA Weichenstellung upstream im hvp45-gen.

Induktion und Transkription der VSH-1, ein Prophage-wie gen-Transfer-Agent von Brachyspira Hyodysenteriae.

From the standpoints of both basic research and biotechnology, there is considerable interest in reaching a clearer understanding of the diversity of biological mechanisms employed during lignocellulose degradation. Globally, termites are an extremely successful group of wood-degrading organisms and are therefore important both for their roles in carbon turnover in the environment and as potential sources of biochemical catalysts for efforts aimed at converting wood into biofuels. Only recently have data supported any direct role for the symbiotic bacteria in the gut of the termite in cellulose and xylan hydrolysis. Here we use a metagenomic analysis of the bacterial community resident in the hindgut paunch of a wood-feeding 'higher' Nasutitermes species (which do not contain cellulose-fermenting protozoa) to show the presence of a large, diverse set of bacterial genes for cellulose and xylan hydrolysis. Many of these genes were expressed in vivo or had cellulase activity in vitro, and further analyses implicate spirochete and fibrobacter species in gut lignocellulose degradation. New insights into other important symbiotic functions including H2 metabolism, CO2-reductive acetogenesis and N2 fixation are also provided by this first system-wide gene analysis of a microbial community specialized towards plant lignocellulose degradation. Our results underscore how complex even a 1-microl environment can be.

Metagenomic and functional analysis of hindgut microbiota of a wood-feeding higher termite.

Aus der Sicht von Grundlagenforschung und Biotechnologie gibt es gro&szlig;es Interesse ein klareres Verst&auml;ndnis der Vielfalt der biologischen Mechanismen w&auml;hrend Lignocellulose Abbau zu erreichen. Global, Termiten sind eine &auml;u&szlig;erst erfolgreiche Holz-erniedrigende Organismen und sind deshalb wichtig, sowohl f&uuml;r ihre Rollen in CO2-Umsatz in der Umgebung und als potenzielle Quellen f&uuml;r biochemische Katalysatoren f&uuml;r die Bem&uuml;hungen um die Umwandlung von Holz in Biokraftstoffe. Erst k&uuml;rzlich haben Daten direkte Rolle f&uuml;r die symbiotischen Bakterien im Darm von der Termite in Hydrolyse von Zellulose und Xylane unterst&uuml;tzt. Hier verwenden wir eine durchgef&uuml;hrte metagenomische Analyse der bakteriellen Gemeinschaft ihren Wohnsitz in den Enddarm Hinterleib einer Holz-F&uuml;tterung &quot;h&ouml;heren&quot; Nasutitermes-Art (die keine Protozoen Zellulose-g&auml;renden enthalten) das Vorhandensein einer gro&szlig;en, vielf&auml;ltigen Reihe von bakteriellen Gene f&uuml;r Zellulose und Xylane Hydrolyse zu zeigen. Viele dieser Gene wurden in-vivo ausgedr&uuml;ckt oder hatte Cellulase Aktivit&auml;t in vitro und weitere Analysen implizieren Spirochete und Fibrobacter Arten in Darm Lignocellulose Abbau. Neue Einblicke in andere wichtigen symbiotischen Funktionen einschlie&szlig;lich H2-Stoffwechsel, CO2-reduzierenden Acetogenese und N2-Fixierung werden durch diese erste systemweite Genanalyse einer mikrobiellen Gemeinschaft spezialisiert in Richtung Pflanze Lignocellulose Abbau. Unsere Ergebnisse unterstreichen, wie komplex auch eine 1-Microl Umwelt sein kann.

Durchgef&uuml;hrte metagenomische und funktionelle Analyse der Hinterdarm Microbiota von einem Holz-F&uuml;tterung h&ouml;here Termite.

Members of the bacterial phylum Spirochaetes are generally helical cells propelled by periplasmic flagella. The spirochete Treponema primitia is interesting because of its mutualistic role in the termite gut, where it is believed to cooperate with protozoa that break down cellulose and produce H(2) as a by-product. Here we report the ultrastructure of T. primitia as obtained by electron cryotomography of intact, frozen-hydrated cells. Several previously unrecognized external structures were revealed, including bowl-like objects decorating the outer membrane, arcades of hook-shaped proteins winding along the exterior and tufts of fibrils extending from the cell tips. Inside the periplasm, cone-like structures were found at each pole. Instead of the single peptidoglycan layer typical of other Gram-negative bacteria, two distinct periplasmic layers were observed. These layers formed a central open space that contained two flagella situated adjacent to each other. In some areas, the inner membrane formed flattened invaginations that protruded into the cytoplasm. High-speed light microscopic images of swimming T. primitia cells showed that cell bodies remained rigid and moved in a helical rather than planar motion. Together, these findings support the 'rolling cylinder' model for T. primitia motility that posits rotation of the protoplasmic cylinder within the outer sheath.

Novel ultrastructures of Treponema primitia and their implications for motility.

Mitglieder der bakteriellen Stamm Spiroch&auml;ten sind im allgemeinen spiralf&ouml;rmigen Zellen angetrieben durch periplasmatischen Flagellen. Das Spirochete Treponema Primitia ist interessant wegen seiner mutualistischen Rolle im Termite Darm, wo es geglaubt wird, um die Zusammenarbeit mit Protozoen, der Abbau von Zellulose und H(2) als Nebenprodukt zu produzieren. Hier berichten wir die Ultrastruktur der T. Primitia, wie durch Elektron-Cryotomography intakt, gefroren-hydratisiert Zellen gewonnen. Mehrere unbekannte zuvor, dass externe Strukturen offenbart wurden, einschlie&szlig;lich Sch&uuml;ssel-&auml;hnliche Objekte dekorieren die Au&szlig;enmembran Arkaden Haken-f&ouml;rmigen Proteine wicklung entlang der Au&szlig;enseite und Haarb&uuml;schel Fibrillen von der Zelle-Tipps. Innerhalb der Periplasm fand die Kegel-Strukturen auf jeder Pole. Anstatt die einzelnen Peptidoglycan Schicht, die typisch f&uuml;r andere gramnegativen Bakterien wurden zwei unterschiedliche Ebenen periplasmatischen beobachtet. Diese Schichten bildeten eine zentrale Freifl&auml;che, die zwei Flagellen gelegen enthalten neben einander. In einigen Bereichen bildete die innere Membran abgeflachte einst&uuml;lpungen, die in das Zytoplasma vorragte. Hochgeschwindigkeits-Licht mikroskopische Bilder von T. Primitia Zellen Schwimmen zeigte, dass die Zelle K&ouml;rper blieb, starre und zog in eine spiralf&ouml;rmige anstatt planare Bewegung. Diese Ergebnisse unterst&uuml;tzen zusammen, das &#39;rolling Zylinder&#39;-Modell f&uuml;r T. Primitia Motilit&auml;t, die Drehung des protoplasmische Zylinders innerhalb der Au&szlig;enmantel postuliert.

Neuartige Ultrastructures Treponema Primitia und deren Auswirkungen auf die Beweglichkeit der Spermien.

Summary The termite gut spirochete, Treponema primitia, is a CO(2)-reductive acetogen that is phylogenetically distinct from other distantly related and more extensively studied acetogens such as Moorella thermoacetica. Research on T. primitia has revealed details about the role of spirochetes in CO(2)-reductive acetogenesis, a process important to the mutualism occurring between termites and their gut microbial communities. Here, a locus of the T. primitia genome containing Wood-Ljungdahl pathway genes for CO(2)-reductive acetogenesis was sequenced. This locus contained methyl-branch genes of the pathway (i.e. for the reduction of CO(2) to the level of methyl-tetrahydrofolate) including paralogous genes for cysteine and selenocysteine (Sec) variants of formate dehydrogenase (FDH) and genes for Sec incorporation. The FDH variants affiliated phylogenetically with hydrogenase-linked FDH enzymes, suggesting that T. primitia FDH enzymes utilize electrons derived directly from molecular H(2). Sub-nanomolar concentrations of selenium decreased transcript levels of the cysteine variant FDH gene. Selenium concentration did not markedly influence the level of mRNA upstream of the Sec-codon in the Sec variant FDH; however, the level of transcript extending downstream of the Sec-codon increased incrementally with increasing selenium concentrations. The features and regulation of these FDH genes are an indication that T. primitia may experience dynamic selenium availability in its H(2)-rich gut environment.

Selenium controls transcription of paralogous formate dehydrogenase genes in the termite gut acetogen, Treponema primitia.

Zusammenfassung das Termite-Darm-Spirochete Treponema Primitia, ist ein CO (2)-reduktive Acetogen die phylogenetisch sich unterscheidet von anderen weitl&auml;ufig Verwandte und ausgiebig studiert Acetogens z. B. Moorella Thermoacetica. Forschung &uuml;ber T. Primitia hat enth&uuml;llt Details &uuml;ber die Rolle von Spirochetes in CO (2)-reduktive Acetogenese, ein Prozess der Mutualismus zwischen Termiten und ihren Darm mikrobielle Gemeinschaften wichtig. Hier, ein Ort des T. Primitia Genoms mit Wood-Ljungdahl-Weg-Gene f&uuml;r CO (2)-reduktive Acetogenese wurde sequenziert. Dieser Locus enthaltenen Methyl-Filiale Gene des Signalweges (z. B. durch die Verringerung der CO(2) auf das Niveau von Methyl-Tetrahydrofolat) einschlie&szlig;lich paralogen Gene f&uuml;r Cystein und Selenocystein (Sec) Varianten von Formiat Dehydrogenase (FDH) und Gene beizuf&uuml;gende Sec. Die FDH-Varianten angegliedert phylogenetisch Hydrogenase-chromosomale FDH Enzyme, was darauf hindeutet, dass T. Primitia FDH Enzyme Elektronen abgeleitet Molekulare H(2) direkt nutzen. Sub-nanomolare Konzentrationen von Selen verringert Abschrift Ebenen der Cystein-Variante FDH-gen. Selen-Konzentration hat das Niveau der mRNA stromaufw&auml;rts von der Sec-Codon in der Sec-Variante FDH nicht merklich beeinflusst; jedoch das Niveau der Abschrift Ausweitung flussabw&auml;rts von der Sec-Codon erh&ouml;ht inkrementell mit zunehmender Selen-Konzentrationen. Die Funktionen und die Regulierung dieser FDH-Gene sind ein Hinweis, dass T. Primitia dynamische Selen Verf&uuml;gbarkeit in seiner H-2-reiche-Darm-Umgebung auftreten kann.

Selen steuert Transkription paralogen Formiat Dehydrogenase Gene in der Termite Darm Acetogen, Treponema Primitia.

The bacterial Wood-Ljungdahl pathway for CO(2)-reductive acetogenesis is important for the nutritional mutualism occurring between wood-feeding insects and their hindgut microbiota. A key step in this pathway is the reduction of CO(2) to formate, catalysed by the enzyme formate dehydrogenase (FDH). Putative selenocysteine- (Sec) and cysteine- (Cys) containing paralogues of hydrogenase-linked FDH (FDH(H)) have been identified in the termite gut acetogenic spirochete, Treponema primitia, but knowledge of their relevance in the termite gut environment remains limited. In this study, we designed degenerate PCR primers for FDH(H) genes (fdhF) and assessed fdhF diversity in insect gut bacterial isolates and the gut microbial communities of termites and cockroaches. The insects examined herein represent three wood-feeding termite families, Termopsidae, Kalotermitidae and Rhinotermitidae (phylogenetically 'lower' termite taxa); the wood-feeding roach family Cryptocercidae (the sister taxon to termites); and the omnivorous roach family Blattidae. Sec and Cys FDH(H) variants were identified in every wood-feeding insect but not the omnivorous roach. Of 68 novel alleles obtained from inventories, 66 affiliated phylogenetically with enzymes from T. primitia. These formed two subclades (37 and 29 phylotypes) almost completely comprised of Sec-containing and Cys-containing enzymes respectively. A gut cDNA inventory showed transcription of both variants in the termite Zootermopsis nevadensis (family Termopsidae). The gene patterns suggest that FDH(H) enzymes are important for the CO(2)-reductive metabolism of uncultured acetogenic treponemes and imply that the availability of selenium, a trace element, shaped microbial gene content in the last common ancestor of dictyopteran, wood-feeding insects, and continues to shape it to this day.

Genes for selenium dependent and independent formate dehydrogenase in the gut microbial communities of three lower, wood-feeding termites and a wood-feeding roach.

Die bakterielle Wood-Ljungdahl-Weg f&uuml;r CO (2)-reduktive Acetogenese ist wichtig f&uuml;r die Ern&auml;hrung Mutualismus zwischen Holz-F&uuml;tterung von Insekten und deren Hinterdarm Microbiota. Ein wichtiger Schritt in diesem Weg ist die Reduktion der CO(2) zu Formiat, katalysiert durch das Enzym Formiat Dehydrogenase (FDH). Vermeintliche Selenocystein (Sec) und Cystein (Cys)-mit Paralogues von FDH Hydrogenase-chromosomale (FDH(H)) wurden in der Termite Darm Acetogenic Spirochete, Treponema Primitia, aber wissen &uuml;ber ihre Bedeutung in der Termite Darm Umgebung bleibt begrenzt. In dieser Studie wir degenerierte PCR Z&uuml;ndkapseln f&uuml;r FDH(H)-Gen (FdhF) und FdhF Vielfalt im Insekt Darm bakterielle Isolate und den Darm mikrobielle Gemeinschaften von Termiten und Kakerlaken beurteilt. Die hierin untersuchten Insekten repr&auml;sentieren drei Holz-F&uuml;tterung Termite Familien, Termopsidae, Kalotermitidae und Rhinotermitidae (phylogenetisch &#39;unteren&#39; Termite Taxa); die Holz-F&uuml;tterung Pl&ouml;tze-Familie Cryptocercidae (die Schwester Taxon zu Termiten); und Allesfresser Pl&ouml;tze Familie Blattidae. SEC und Cys FDH(H) Varianten wurden in jedes Holz-F&uuml;tterung-Insekt, aber nicht die Allesfresser Pl&ouml;tze identifiziert. 68 Neue Allele Vorr&auml;te entnommen 66 phylogenetisch mit Enzymen aus T. Primitia angeschlossen. Diese bildeten zwei Subgruppen (37 bis 29 Phylotypen) fast v&ouml;llig bestehend aus s-haltigen und Cys-haltige Enzyme bzw.. Eine Darm cDNA Inventar zeigte Transkription der beiden Varianten in der Termite Zootermopsis Nevadensis (Familie Termopsidae). Die Gen-Muster schlagen vor, da&szlig; FDH(H) Enzyme wichtig f&uuml;r die CO (2 sind)-reduktive Stoffwechsel der ungebildeten Acetogenic Treponemes und bedeuten, dass die Verf&uuml;gbarkeit von Selen, ein Spurenelement, gepr&auml;gt von mikrobiellen gen Inhalt in den letzten gemeinsamen Vorfahren der Dictyopteran, Holz-F&uuml;tterung Insekten, und f&auml;hrt fort, es bis zum heutigen Tag zu gestalten.

Gene f&uuml;r Selen-abh&auml;ngige und unabh&auml;ngige Formiat-Dehydrogenase in den Darm mikrobielle Gemeinschaften der drei unteren, Holz-F&uuml;tterung Termiten und ein Rotauge Holz-F&uuml;tterung.

An endoscope is an invaluable tool to interpret conditions within a body. Flexible endoscopes are controlled by a set of rotational knobs requiring a doctor's hands to guide and locate the view. This research uses a combination of a camera, facial recognition techniques and software to create a hands-free gesture recognition application for use by a physician to probe the internals of a human body. The physician will utilize the head movements to move the endoscopic camera freeing their hands to perform a procedure or other functions.

"A window on tissue" - Using facial orientation to control endoscopic views of tissue depth.

Ein Endoskop ist ein unsch&auml;tzbares Werkzeug Bedingungen innerhalb eines Textes zu interpretieren. Flexible Endoskope werden durch eine Reihe von rotatorischen Kn&ouml;pfe erfordern eine &auml;rztliche H&auml;nde zu leiten und suchen die Ansicht gesteuert. Diese Forschung verwendet eine Kombination aus einer Kamera, Gesichtserkennung Techniken und Software zum Erstellen einer Freisprech-Geste Anerkennung Anwendung f&uuml;r die Verwendung durch einen Arzt um die Interna eines menschlichen K&ouml;rpers zu untersuchen. Der Arzt wird die Kopfbewegungen um die endoskopische Kamera befreien ihre H&auml;nde zum Ausf&uuml;hren einer Prozedur oder andere Funktionen verschieben nutzen.

&quot;Ein Fenster auf das Gewebe&quot; - Verwendung Gesichts Ausrichtung auf Steuerelement endoskopischen Ansichten von Gewebe Tiefe.

The hindguts of wood-feeding termites typically contain hundreds of microbial species. Together with their insect host, these gut microbes degrade lignocellulose into usable catabolites. Although past research revealed many facets of the stepwise flow of metabolites in this scheme, not much is known about the breadth of interactions occurring between termite-gut microbes. Most of these microbes are thought to depend on, and to have co-speciated with, their host and each other for millions of years. In this study, we explored the interactions of two spirochetes previously isolated from the very same termite species. As hydrogen (H(2)) is the central free intermediate in termite-gut lignocellulose digestion, we focused on interactions between two closely related termite-gut spirochetes possessing complementary H(2) physiologies: one produces H(2), while the other consumes it. In vitro, these two Treponema species markedly enhanced each other's growth. RNA sequencing resolved the transcriptomes of these two closely related organisms, revealing that co-cultivation causes comprehensive changes in global gene expression. The expression of well over a 100 genes in each species was changed >twofold, with over a dozen changed >10-fold. Several changes implicating synergistic cross-feeding of known metabolites were validated in vitro. Additionally, certain activities beneficial to the host were preferentially expressed during consortial growth. However, the majority of changes in gene expression are not yet understandable, but indicate a broad, comprehensive and mutualistic interaction between these closely related, co-resident gut symbionts. The results suggest that staggeringly intricate networks of metabolic and gene interactions drive lignocellulose degradation and co-evolution of termite gut microbiota.

RNA-seq reveals cooperative metabolic interactions between two termite-gut spirochete species in co-culture.

Die Hindguts von Holz-F&uuml;tterung Termiten enthalten normalerweise Hunderte von mikrobiellen Spezies. Zusammen mit ihrer Insekt-Host zerfallen diese Darm-Mikroben Lignocellulose in nutzbare Catabolites. Obwohl letzten Forschung viele Facetten der schrittweisen Str&ouml;mung von Metaboliten in dieser Regelung ergeben, ist nicht viel &uuml;ber die Breite der Interaktionen zwischen Mikroben Termite-Gut bekannt. Die meisten dieser Mikroben werden abh&auml;ngig und co-voneinander mit, ihre Gastgeber und einander seit Millionen von Jahren haben gedacht. In dieser Studie erforschten wir die Wechselwirkungen zwischen zwei Spirochetes, die zuvor von den selben Termiten-Arten isoliert. Als Wasserstoff (H(2)) ist die zentrale kostenlose Zwischenprodukt in der Termite-Gut Lignocellulose Verdauung, konzentrierten wir uns auf Interaktionen zwischen zwei eng miteinander verbundene Termite-Gut Spirochetes erg&auml;nzende H(2) Physiologien besitzen: man produziert H(2), w&auml;hrend der andere es verbraucht. In vitro verst&auml;rkt diese beiden Treponema-Arten deutlich gegenseitig Wachstum. RNA-Sequenzierung aufgel&ouml;st Transcriptomes dieser beiden eng verwandten Organismen, offenbart, dass Co-cultivation umfassende &Auml;nderungen im globalen Genexpression Ursachen. Der Ausdruck der wohl &uuml;ber einen 100 Gene in jeder Spezies wurde ge&auml;ndert &gt; zweifach, mit mehr als einem Dutzend ge&auml;ndert &gt; 10fach verbesserter. Mehrere &Auml;nderungen Nicht&uuml;bernahme synergistische Kreuz-F&uuml;tterung von bekannten Metaboliten wurden in-vitro-validiert. Dar&uuml;ber hinaus wurden bestimmte Aktivit&auml;ten positiv auf den Host bevorzugt w&auml;hrend der konsortialen Wachstum ge&auml;u&szlig;ert. Die meisten &Auml;nderungen in der Genexpression nicht noch verst&auml;ndlich sind, jedoch zeigen eine breite, umfassende und mutualistischen Interaktion zwischen diesen eng verwandten, Co-Resident-Darm-Symbionten. Die Ergebnisse legen nahe, dass unglaublich komplizierte Netze von metabolischen und gen-Interaktionen Lignocellulose Abbau- und Co-Evolution von Termite Darm Microbiota treiben.

RNA-Seq enth&uuml;llt kooperative metabolische Interaktionen zwischen zwei Termite-Gut Spirochete Arten in Kokulturen.

Anaerobic carbon monoxide dehydrogenase (CODH) is a key enzyme in the Wood-Ljungdahl (acetyl-CoA) pathway for acetogenesis performed by homoacetogenic bacteria. Acetate generated by gut bacteria via the acetyl-CoA pathway provides considerable nutrition to wood-feeding dictyopteran insects making CODH important to the obligate mutualism occurring between termites and their hindgut microbiota. To investigate CODH diversity in insect gut communities, we developed the first degenerate primers designed to amplify cooS genes, which encode the catalytic (Î²) subunit of anaerobic CODH enzyme complexes. These primers target over 68 million combinations of potential forward and reverse cooS primer-binding sequences. We used the primers to identify cooS genes in bacterial isolates from the hindgut of a phylogenetically lower termite and to sample cooS diversity present in a variety of insect hindgut microbial communities including those of three phylogenetically-lower termites, Zootermopsis nevadensis, Reticulitermes hesperus, and Incisitermes minor, a wood-feeding cockroach, Cryptocercus punctulatus, and an omnivorous cockroach, Periplaneta americana. In total, we sequenced and analyzed 151 different cooS genes. These genes encode proteins that group within one of three highly divergent CODH phylogenetic clades. Each insect gut community contained CODH variants from all three of these clades. The patterns of CODH diversity in these communities likely reflect differences in enzyme or physiological function, and suggest that a diversity of microbial species participate in homoacetogenesis in these communities.

Anaerobic carbon monoxide dehydrogenase diversity in the homoacetogenic hindgut microbial communities of lower termites and the wood roach.

Anaerobe Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) ist ein Schl&uuml;sselenzym in der Wood-Ljungdahl (Acetyl-CoA)-Wegbereiter f&uuml;r Acetogenese von Homoacetogenic Bakterien durchgef&uuml;hrt. Acetat Abwasseraufkommen Darmbakterium &uuml;ber die Acetyl-CoA-Bahn sorgt f&uuml;r erhebliche Ern&auml;hrung zu Holz-F&uuml;tterung Dictyopteran Insekten CODH zu den obligat Mutualismus zwischen Termiten und ihre Hinterdarm Microbiota wichtig machen. Um CODH Vielfalt im Insekt Darm Gemeinschaften zu untersuchen, entwickelten wir die ersten degenerierte Primer entworfen, CooS Gene, kodieren die katalytische (&beta;)-Untereinheit der anaeroben CODH-Enzym-komplexe zu verst&auml;rken. Diese Grundierungen Ziel mehr als 68 Millionen Kombinationen von potenziellen vorw&auml;rts und r&uuml;ckw&auml;rts cooS Grundierung-Bindung-Sequenzen. Wir verwendet die Z&uuml;ndkapseln, um CooS Gene in bakterielle Isolate aus den Enddarm eine phylogenetisch unteren Termite und Beispiel CooS Vielfalt vorhanden in einer Vielzahl von Insekt Hinterdarm mikrobielle Gemeinschaften einschlie&szlig;lich der drei phylogenetisch-untere Termiten, Zootermopsis Nevadensis Reticulitermes Hesperus, und kleinere Incisitermes, eine Kakerlake Holz-F&uuml;tterung, Cryptocercus Punctulatus und ein Allesfresser Schabe Periplaneta Americana zu identifizieren. Insgesamt haben wir sequenziert und analysiert 151 verschiedene CooS Gene. Diese Gene kodieren Proteine, die innerhalb einer der drei sehr unterschiedlichen CODH phylogenetische Kladen gruppieren. Jedes Insekt Darm-Gemeinschaft enthaltenen CODH Varianten von allen drei von diesen Kladen. Die Muster der CODH Vielfalt in diesen Gemeinden wahrscheinlich spiegeln unterschiedliche Enzym oder physiologische Funktion und schlagen vor, da&szlig; eine mikrobielle Artenvielfalt an Homoacetogenesis in diesen Gemeinden beteiligen.

Anaerobe Kohlenmonoxid-Dehydrogenase-Vielfalt in den Homoacetogenic Hinterdarm mikrobielle Gemeinschaften des unteren Termiten und das Holz Roach.

Two hallmarks of the Firmicute phylum, which includes the Bacilli and Clostridia classes, are their ability to form endospores and their "Gram-positive" single-membraned, thick-cell-wall envelope structure. Acetonema longum is part of a lesser-known family (the Veillonellaceae) of Clostridia that form endospores but that are surprisingly "Gram negative," possessing both an inner and outer membrane and a thin cell wall. Here, we present macromolecular resolution, 3D electron cryotomographic images of vegetative, sporulating, and germinating A. longum cells showing that during the sporulation process, the inner membrane of the mother cell is inverted and transformed to become the outer membrane of the germinating cell. Peptidoglycan persists throughout, leading to a revised, "continuous" model of its role in the process. Coupled with genomic analyses, these results point to sporulation as a mechanism by which the bacterial outer membrane may have arisen and A. longum as a potential "missing link" between single- and double-membraned bacteria.

Peptidoglycan remodeling and conversion of an inner membrane into an outer membrane during sporulation.

Zwei sind der Firmicute-Stamm, die die Bazillen und Clostridien Klassen umfasst, ihre F&auml;higkeit, Form Endosporen und deren &quot;Gram-positive&quot; Einzel-membraned, dickwandigen-Zelle Umschlag-Struktur. Acetonema Longum ist Teil einer weniger bekannten Familie (Veillonellaceae) von Clostridien, die Endosporen aber sind &uuml;berraschend &quot;Gram-Negative,&quot; besitzen eine innere und &auml;u&szlig;ere Membran und eine d&uuml;nne Zellwand bilden. Hier pr&auml;sentieren wir Makromolekulare Aufl&ouml;sung, 3D Elektron-Cryotomographic-Bilder der vegetativen, sporenbildende und keimt A. Longum Zellen zeigen, dass bei der Sporenbildung, die innere Membran der Mutter Zelle invertiert und umgewandelt, um die &auml;u&szlig;ere Membran der keimende Zelle geworden ist. Peptidoglycane bestehen bleibt, f&uuml;hrt zu einem &uuml;berarbeiteten, &quot;kontinuierliche&quot; Modell seiner Rolle im Prozess. Gepaart mit genomische Analysen, zeigen diese Ergebnisse auf Sporenbildung als Mechanismus durch die bakterielle Au&szlig;enmembran erwachsen sind und A. Longum als m&ouml;glicher &quot;Missing Link&quot; zwischen Einzel- und Doppel-membraned Bakterien.

Peptidoglycane Umbau und Umwandlung von einer inneren Membrane in eine &auml;u&szlig;ere Membran w&auml;hrend der Sporenbildung.

The termite gut spirochete, Treponema primitia, is a CO(2)-reductive acetogen that is phylogenetically distinct from other distantly related and more extensively studied acetogens such as Moorella thermoacetica. Research on T. primitia has revealed details about the role of spirochetes in CO(2)-reductive acetogenesis, a process important to the mutualism occurring between termites and their gut microbial communities. Here, a locus of the T. primitia genome containing Wood-Ljungdahl pathway genes for CO(2)-reductive acetogenesis was sequenced. This locus contained methyl-branch genes of the pathway (i.e. for the reduction of CO(2) to the level of methyl-tetrahydrofolate) including paralogous genes for cysteine and selenocysteine (Sec) variants of formate dehydrogenase (FDH) and genes for Sec incorporation. The FDH variants affiliated phylogenetically with hydrogenase-linked FDH enzymes, suggesting that T. primitia FDH enzymes utilize electrons derived directly from molecular H(2). Sub-nanomolar concentrations of selenium decreased transcript levels of the cysteine variant FDH gene. Selenium concentration did not markedly influence the level of mRNA upstream of the Sec-codon in the Sec variant FDH; however, the level of transcript extending downstream of the Sec-codon increased incrementally with increasing selenium concentrations. The features and regulation of these FDH genes are an indication that T. primitia may experience dynamic selenium availability in its H(2)-rich gut environment.

Das Termite Darm Spirochete, Treponema Primitia, ist ein CO (2)-reduktive Acetogen die phylogenetisch sich unterscheidet von anderen weitl&auml;ufig Verwandte und ausgiebig studiert Acetogens z. B. Moorella Thermoacetica. Forschung &uuml;ber T. Primitia hat enth&uuml;llt Details &uuml;ber die Rolle von Spirochetes in CO (2)-reduktive Acetogenese, ein Prozess der Mutualismus zwischen Termiten und ihren Darm mikrobielle Gemeinschaften wichtig. Hier, ein Ort des T. Primitia Genoms mit Wood-Ljungdahl-Weg-Gene f&uuml;r CO (2)-reduktive Acetogenese wurde sequenziert. Dieser Locus enthaltenen Methyl-Filiale Gene des Signalweges (z. B. durch die Verringerung der CO(2) auf das Niveau von Methyl-Tetrahydrofolat) einschlie&szlig;lich paralogen Gene f&uuml;r Cystein und Selenocystein (Sec) Varianten von Formiat Dehydrogenase (FDH) und Gene beizuf&uuml;gende Sec. Die FDH-Varianten angegliedert phylogenetisch Hydrogenase-chromosomale FDH Enzyme, was darauf hindeutet, dass T. Primitia FDH Enzyme Elektronen abgeleitet Molekulare H(2) direkt nutzen. Sub-nanomolare Konzentrationen von Selen verringert Abschrift Ebenen der Cystein-Variante FDH-gen. Selen-Konzentration hat das Niveau der mRNA stromaufw&auml;rts von der Sec-Codon in der Sec-Variante FDH nicht merklich beeinflusst; jedoch das Niveau der Abschrift Ausweitung flussabw&auml;rts von der Sec-Codon erh&ouml;ht inkrementell mit zunehmender Selen-Konzentrationen. Die Funktionen und die Regulierung dieser FDH-Gene sind ein Hinweis, dass T. Primitia dynamische Selen Verf&uuml;gbarkeit in seiner H-2-reiche-Darm-Umgebung auftreten kann.

When prokaryotic cells acquire mutations, encounter translation-inhibiting substances, or experience adverse environmental conditions that limit their ability to synthesize proteins, transcription can become uncoupled from translation. Such uncoupling is known to suppress transcription of protein-encoding genes in bacteria. Here we show that the trace element selenium controls transcription of the gene for the selenocysteine-utilizing enzyme formate dehydrogenase (fdhFSec) through a translation-coupled mechanism in the termite gut symbiont Treponema primitia, a member of the bacterial phylum Spirochaetes. We also evaluated changes in genome-wide transcriptional patterns caused by selenium limitation and by generally uncoupling translation from transcription via antibiotic-mediated inhibition of protein synthesis. We observed that inhibiting protein synthesis in T. primitia influences transcriptional patterns in unexpected ways. In addition to suppressing transcription of certain genes, the expected consequence of inhibiting protein synthesis, we found numerous examples in which transcription of genes and operons is truncated far downstream from putative promoters, is unchanged, or is even stimulated overall. These results indicate that gene regulation in bacteria allows for specific post-initiation transcriptional responses during periods of limited protein synthesis, which may depend both on translational coupling and on unclassified intrinsic elements of protein-encoding genes.

Genome-wide effects of selenium and translational uncoupling on transcription in the termite gut symbiont Treponema primitia.

Numerous bacteria assemble proteinaceous microcompartments to isolate certain biochemical reactions within the cytoplasm. The assembly, structure, contents, and functions of these microcompartments are active areas of research. Here we show that the Gram-negative sporulating bacterium Acetonema longum synthesizes propanediol utilization (PDU) microcompartments when starved or grown on 1,2-propanediol (1,2-PD) or rhamnose. Electron cryotomography of intact cells revealed that PDU microcompartments are highly irregular in shape and size, similar to purified PDU microcompartments from Salmonella enterica serovar Typhimurium LT2 that were imaged previously. Homology searches identified a 20-gene operon in A. longum that contains most of the structural, enzymatic, and regulatory genes thought to be involved in PDU microcompartment assembly and function. Transcriptional data on PduU and PduC, which are major structural and enzymatic proteins, respectively, as well as imaging, indicate that PDU microcompartment synthesis is induced within 24 h of growth on 1,2-PD and after 48 h of growth on rhamnose.

Article	Year
Identification of genes of VSH-1, a prophage-like gene transfer agent of Brachyspira hyodysenteriae. Journal of bacteriology\| PubMed ID: 16109929	2005
Induction and transcription of VSH-1, a prophage-like gene transfer agent of Brachyspira hyodysenteriae. Anaerobe\| PubMed ID: 17540587	2007
Metagenomic and functional analysis of hindgut microbiota of a wood-feeding higher termite. Nature\| PubMed ID: 18033299	2007
Novel ultrastructures of Treponema primitia and their implications for motility. Molecular microbiology\| PubMed ID: 18248579	2008
Selenium controls transcription of paralogous formate dehydrogenase genes in the termite gut acetogen, Treponema primitia. Environmental microbiology\| PubMed ID: 20236167	2010
Genes for selenium dependent and independent formate dehydrogenase in the gut microbial communities of three lower, wood-feeding termites and a wood-feeding roach. Environmental microbiology\| PubMed ID: 20819103	2011
"A window on tissue" - Using facial orientation to control endoscopic views of tissue depth. Conference proceedings : ... Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference\| PubMed ID: 21096777	2010
RNA-seq reveals cooperative metabolic interactions between two termite-gut spirochete species in co-culture. The ISME journal\| PubMed ID: 21326336	2011
Anaerobic carbon monoxide dehydrogenase diversity in the homoacetogenic hindgut microbial communities of lower termites and the wood roach. PloS one\| PubMed ID: 21541298	2011
Peptidoglycan remodeling and conversion of an inner membrane into an outer membrane during sporulation. Cell\| PubMed ID: 21884938	2011
Selenium controls transcription of paralogous formate dehydrogenase genes in the termite gut acetogen, Treponema primitia. Environmental microbiology\| PubMed ID: 21966917	2010
Genome-wide effects of selenium and translational uncoupling on transcription in the termite gut symbiont Treponema primitia. mBio\| PubMed ID: 24222491	2013
Structure and expression of propanediol utilization microcompartments in Acetonema longum. Journal of bacteriology\| PubMed ID: 24532773	2014

Eric Matson

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