Computational Approaches to Bacterial Phylogeny and Evolution of Secondary Metabolites

Abstract

Specialized metabolites play central roles in microbial ecology, biotechnology, and medicine. Advances in sequencing technologies now make it possible to explore the biosynthetic potential of microbial genomes at unprecedented scale, offering new opportunities to discover bioactive compounds and understand their ecological functions. However, translating this wealth of genomic information into meaningful biological insight remains a major challenge. Biosynthetic pathways are often modular, frequently reshaped by horizontal gene transfer, and not always directly linked to associated functions such as transport or regulation. As a result, it is difficult to determine how these systems originate, diversify, and persist across bacterial lineages.

In this dissertation, siderophore and metallophore systems, which mediate microbial metal acquisition and interspecies interactions, were investigated as a model for complex secondary metabolite traits. By combining phylogeny-aware genome mining with large-scale comparative analyses, the distribution and evolutionary histories of biosynthetic pathways and transport systems were examined in the context of ecological settings and cell-envelope architecture.

To support these analyses, AutoMLST2 was developed as a scalable Genome Taxonomy Database (GTDB)-integrated platform for species-tree reconstruction and taxonomic placement. In another study, chelator-centric detection rules for nonribosomal peptide synthase (NRPS)-derived metallophores were implemented, extending functional annotation within existing biosynthetic gene clusters and revealing that metal-binding secondary metabolites are more widespread and structurally diverse than previously recognized.

Using this framework, siderophore biosynthetic pathways and associated transport systems were analyzed at large scale, revealing distinct evolutionary strategies among siderophore types and highlighting transport systems as key constraints shaped by cell-envelope architecture.

Beyond siderophore biology, this work demonstrates how combining refined annotations with a robust phylogenomic framework enables large-scale inference of evolutionary patterns across bacterial genomes. While siderophores serve as a focused case study, the approaches developed here are broadly applicable to other secondary metabolites and complex genomic traits, providing a general strategy for investigating how microbial metabolic systems diversify, persist, and adapt under structural and evolutionary constraints.

Spezialisierte Metabolite spielen eine zentrale Rolle in mikrobiellen Ökosystemen sowie in biotechnologischen und medizinischen Anwendungen. Fortschritte in Sequenzierungstechnologien ermöglichen es heute, das biosynthetische Potenzial mikrobieller Genome in bislang unerreichter Breite zu erfassen und eröffnen neue Möglichkeiten zur Entdeckung bioaktiver Verbindungen sowie zum Verständnis ihrer ökologischen Funktionen. Die Interpretation dieser umfangreichen genomischen Daten bleibt jedoch eine zentrale Herausforderung. Biosynthetische Signalwege sind häufig modular aufgebaut, werden durch horizontalen Gentransfer geprägt und sind nicht immer direkt mit Funktionen wie Transport oder Regulation verknüpft. Dies erschwert das Verständnis ihrer Entstehung, Diversifizierung und langfristigen Etablierung in bakteriellen Linien.

In der vorliegenden Arbeit werden Siderophor- und Metallophor-Systeme, die an der mikrobiellen Metallakquisition und an interspezifischen Interaktionen beteiligt sind, als Modellsystem für komplexe sekundärmetabolische Merkmale untersucht. Durch die Kombination phylogenie-sensitiver Genom-Mining-Ansätze mit großskaligen vergleichenden Analysen wurden die Verteilung sowie die evolutionären Muster biosynthetischer Signalwege und zugehöriger Transportsysteme im Kontext ökologischer Rahmenbedingungen und der Zellhüllenarchitektur analysiert.

Zur methodischen Unterstützung dieser Analysen wurde AutoMLST2 als skalierbare, in die Genome Taxonomy Database (GTDB) integrierte Plattform zur Rekonstruktion von Artenbäumen und zur taxonomischen Einordnung von Genomen entwickelt. Parallel dazu wurden chelator-zentrierte Erkennungsregeln für von nicht-ribosomalen Peptidsynthetasen (NRPS) abgeleitete Metallophor-Biosynthesewege implementiert. Diese erweitern die funktionelle Annotation bestehender biosynthetischer Gencluster und zeigen, dass metallbindende sekundäre Metabolite weiter verbreitet und strukturell vielfältiger sind als bislang angenommen.

Auf Grundlage dieses Rahmens wurden Siderophor-Biosynthesewege und zugehörige Transportsysteme in großem Maßstab analysiert. Dabei zeigen sich unterschiedliche evolutionäre Strategien zwischen verschiedenen Siderophortypen, wobei Transportsysteme als zentrale Einschränkungen wirken, die durch die Architektur der bakteriellen Zellhülle bestimmt werden.

Über die Siderophorbiologie hinaus zeigt diese Arbeit, wie die Kombination verfeinerter Annotationen mit einem robusten phylogenomischen Rahmenwerk großskalige Rückschlüsse auf evolutionäre Muster in bakteriellen Genomen ermöglicht. Obwohl Siderophore hier als fokussiertes Modellsystem dienen, sind die entwickelten Ansätze auf andere Klassen sekundärer Metabolite sowie auf weitere komplexe genomische Merkmale übertragbar und bieten eine allgemeine Strategie zur Untersuchung der Diversifizierung, Persistenz und Anpassung mikrobieller Stoffwechselsysteme unter strukturellen und evolutionären Einschränkungen.