Le séquençage ADN d'échantillons complexes contenant plusieurs espèces est une technique de choix pour étudier le paysage viral d'un milieu donné. Or les génomes viraux sont difficiles à identifier, de par leur extrême variabilité et la relation étroite qu'ils entretiennent avec leurs hôtes. Nous proposons de nouvelles pistes de recherche pour apporter une solution spécifique aux séquences virales afin de répondre au besoin d'identification pour lequel les solutions génériques existantes n'apportent pas de réponse satisfaisante. / DNA sequencing of complex samples containing various living species is a choice approach to study the viral landscape of a given environment. Viral genomes are hard to identify due to their extreme variability and the tight relationship they have with their hosts. We hereby provide new leads for the development of a virusesspecific solution to the need for accurate identification that hasn't found a satisfactory solution in the existing universal software so far.

La produzione di biogas è un tematica di forte impatto globale per due ragioni principali: il prossimo esaurimento dei combustibili fossili e l’inquinamento ambientale dovuto allo smaltimento di scarti organici. La Digestione Anaerobica (DA) è un processo biologico che permette la risoluzione di entrambi i problemi, producendo energia (in forma di biogas) e convertendo gli scarti organici in metano e anidride carbonica. Tale processo è basato su una complessa catena sintrofica tra consorzi microbici che produco il substrato per la fase finale di metanogenesi. Il siero di latte è uno scarto altamente inquinante derivante dal processo di lavorazione del formaggio e per questo è stato ampiamente investigato come substrato per la DA. Tuttavia esiste uno scarto meno noto prodotto dalle fasi di porzionatura e grattugia del formaggio a lunga stagionatura. Il presente studio analizza il microbioma di digestori anaerobici processanti scarti dell’industria lattiero-casearia, quali letame bovino, siero di latte e scarto del formaggio a pasta dura. In particolare, viene analizzato l’effetto dei parametri di processo, delle diverse configurazioni dei reattori e del tipo di scarto, su tale microbioma. L’obiettivo è raggiunto tramite tecniche biomolecolari che permettono di quantificare e identificare le principali specie presenti nei reattori, insieme alla differente espressione genica in seguito all’iniezione di idrogeno a scopo di upgrading del biogas. / Biogas production is a hot topic, which has globally gained interest from many researchers over the past years. This fact is mainly due to the depletion of fossil fuels and environmental concerns regarding wastes disposal. Anaerobic Digestion (AD) represents a biological way to obtain both energy (in form of biogas) and waste discard, by converting the polluting organic matter. The overall process relies on a syntrophic chain where different microbial consortia produce the feed necessary for the final methanogenic step. Cheese whey has been largely investigated for AD treatment, since is a high polluting waste derived from the cheese-making process. However, there is a less-known waste originating from the portioning and shaving phases of long-ripened hard-cheese. This study aimed to investigate the microbiome of anaerobic digesters processing dairy industry wastes, such as cattle manure, cheese whey and hard-cheese powder wastes. In particular, the effects of process parameters, reactor configurations and type of dairy wastes, on the microbial populations, have been analyzed. The goal was achieved by means of culture-independent methods and high throughput sequencing, which allowed quantifying and identifying the main species present, as well as their differential gene expression in relation to hydrogen injection for biogas upgrading purposes.

La phytoremédiation, la technique de bioremédiation qui utilise les plantes, est considérée comme une technologie « verte » et efficace pour décontaminer des sols pollués aux hydrocarbures. Les plantes agissent essentiellement à travers la stimulation des microorganismes de la rhizosphère, où l’exsudation racinaire semble être le moteur majeur de l’activité microbienne qui s’y déroule. Beaucoup de gènes responsables de l’adaptation bactérienne, dans le sol contaminé ou dans la rhizosphère, semblent être portés par les plasmides conjugatifs et transférés entre les bactéries. Une meilleure compréhension de ce phénomène pourrait améliorer le développement de techniques de manipulation du microbiome rhizosphérique afin d’accélérer la bioremédiation. Le but de cette recherche est d’étudier le plasmidome, soit le contenu total en plasmides, de la rhizosphère de saules provenant d’un sol contaminé aux hydrocarbures. Des analyses métagénomiques, de données obtenues à partir d’un séquençage Illumina, ont été utilisées pour étudier les fonctions portées par les plasmides. Nos résultats ont indiqué un fort effet de la contamination aux hydrocarbures sur la composition des plasmides. De plus, les plasmides contenaient des gènes impliqués dans de nombreuses voies métaboliques, telles que la biodégradation d’hydrocarbures, la production d’énergie, la transduction du signal, le chimiotactisme, et les métabolismes des sucres, acides aminés et métabolites secondaires. À ce jour, c’est la première étude de métagénomique comparative documentant la diversité des plasmides dans un contexte de phytoremédiation. Ces résultats fournissent de nouvelles connaissances sur le rôle du transfert latéral de gènes dans l’adaptation bactérienne dans la rhizosphère et dans le sol contaminé aux hydrocarbures. / Phytoremediation, a bioremediation technique that uses plants, is considered to be an effective and affordable “green technology” to clean up hydrocarbon contaminated soils. Plants essentially act indirectly through the stimulation of rhizosphere microorganisms. Root exudation is thought to be one of the predominant drivers of microbial communities in the rhizosphere and is therefore a potential key factor behind enhanced hydrocarbon biodegradation. Many of the genes responsible for bacterial adaptation in contaminated soil and the plant rhizosphere are thought to be carried by conjugative plasmids and transferred among bacteria. A better understanding of these phenomena could thus inform the development of techniques to manipulate the rhizospheric microbiome in ways that improve hydrocarbon bioremediation. This research aims to study the plasmidome (the overall plasmid content) in the rhizosphere of willow growing in hydrocarbon contaminated and non-contaminated soils, as compared with unplanted soil. Metagenomic analyses based on Illumina sequencing were used to highlight functions carried by plasmids. Our results indicate a strong effect of hydrocarbon contamination on plasmid composition. Furthermore, plasmids harbored genes involved in several metabolic pathways, such as hydrocarbon biodegradation, energy production, signal transduction, chemotaxis, metabolisms of carbohydrates, amino acids and secondary metabolites. To date, this is the first comparative soil metagenomics documenting the plasmidome diversity in a phytoremediation system. The results provide new knowledge on the role of lateral gene transfer in the bacterial adaptation in rhizosphere and in hydrocarbon contaminated soil.

Le développement des méthodes de séquençage de nouvelle génération a permis d’approfondir les connaissances sur le rôle des communautés bactériennes commensales pour la santé de leur hôte, et l’impact négatif de la perturbation de leur équilibre. Les antibiotiques sont les principaux perturbateurs de cet équilibre, mais leur impact n’a pas été quantifié précisément.Nous avons quantifié la relation entre les concentrations fécales d’antibiotiques et la perturbation de la diversité bactérienne au sein du microbiote intestinal, et modélisé le lien entre la perte de diversité bactérienne et la probabilité de décès dans un modèle animal de colite à Clostridium difficile induite par les antibiotiques. Nous avons montré que l’indice de diversité de Shannon et la distance UniFac non pondérée étaient les indices de diversité qui étaient le plus prédictif du décès dans ce modèle d’infection.Chez des volontaires sains, nous avons développé un modèle mathématique semimécanistique de l’évolution de la diversité au sein du microbiote, mesurée par deux indices de diversité, après perturbation antibiotique, et quantifié la relation entre l’exposition individuelle plasmatique et fécale à un antibiotique, et son effet sur la perturbation de la diversité bactérienne au cours du temps. Nous avons également analysé le rôle de la voie d’élimination des antibiotiques pour la limitation de l’impact d’un antibiotique sur le microbiote. Ces travaux nous ont permis de montrer que le microbiote intestinal présente une grande sensibilité aux antibiotiques, et que la voie d’élimination ne semble de ce fait pas jouer un rôle prépondérant dans la perspective de limiter l’impact des antibiotiques sur le microbiote intestinal. / The development of next generation sequencing broadened our knowledge on the role of commensal bacterial communities on their host’s health, and the negative impact of their disruption. Antibiotics are the main disrupting factor, but their impact has not been precisely quantified.We quantified the relationship between antibiotic fecal concentrations and the loss of bacterial diversity in the intestinal microbiota, and modelled the link between the loss of diversity and mortality in a hamster model of antibiotic-induced Clostridium difficile infection. We showed that the Shannon diversity index and the unweighted UniFrac distance are the 2 indices that best predict mortality in this model. In healthy volunteers, we developed a semi-mechanistic model of the evolution over time of bacterial diversity – measured by two indices – after an antibiotic perturbation, and quantified the relationship between antibiotic concentrations in plasma and feces and the loss of bacterial diversity in the intestinal microbiota. We also analyzed the role of the antibiotic elimination pathway in the reduction of their impact on the microbiota. In this work, we showed that the intestinal microbiota is highly susceptible to antibiotics, and that the elimination route doesn’t have a major role, in the perspective of limiting antibiotics’ impact on the intestinal microbiota.

Moderní výzkum v environmentální mikrobiologii využívá k popisu mikrobiálních komunit genomická data, především sekvenaci DNA. Oblast, která zkoumá veškerý genetický materiál přítomný v environmentálním vzorku, se nazývá metagenomika. Tato doktorská práce se zabývá metagenomikou z pohledu bioinformatiky, která je nenahraditelná při výpočetním zpracování dat. V teoretické části práce jsou popsány dva základní přístupy metagenomiky, včetně jejich základních principů a slabin. První přístup, založený na cíleném sekvenování, je dobře rozpracovanou oblastí s velkou řadou bioinformatických technik. Přesto mohou být metody pro porovnávání vzorků z několika prostředí podstatně vylepšeny. Přístup představený v této práci používá unikátní transformaci dat do podoby bipartitního grafu, kde je jedna partita tvořena taxony a druhá vzorky, případně různými prostředími. Takový graf plně reflektuje kvalitativní i kvantitativní složení analyzované mikrobiální sítě. Umožňuje masivní redukci dat pro jednoduché vizualizace bez negativních vlivů na automatickou detekci komunit, která dokáže odhalit shluky podobných vzorků a jejich typických mikrobů. Druhý přístup využívá sekvenace celého metagenomu. Tato strategie je novější a příslušející bioinformatické nástroje jsou méně propracované. Hlavní výzvou přitom zůstává rychlá klasifikace sekvencí, v metagenomice označovaná jako „binning“. Metoda představená v této práci využívá přístupu zpracování genomických signálů. Tato unikátní metodologie byla navržena na základě podrobné analýzy redundance genetické informace uložené v genomických signálech. Využívá transformace znakových sekvencí do několika variant fázových signálů. Navíc umožňuje přímé zpracování dat ze sekvenace nanopórem v podobě nativních proudových signálů.

Tato práce se zabývá problematikou automatizované klasifikace a rozpoznávání bakterií po získání jejich DNA procesem sekvenování. V rámci této práce je navržena a popsána nová metoda klasifikace založená na základě segmentu 16S rRNA. Představený princip je vytvořen podle stromové struktury taxonomických kategorií a používá známé algoritmy strojového učení pro klasifikaci bakterií do jedné ze tříd na nižší taxonomické úrovni. Součástí práce je dále implementace popsaného algoritmu a vyhodnocení jeho přesnosti predikce. Přesnost klasifikace různých typů klasifikátorů a jejich nastavení je prozkoumána a je určeno nastavení, které dosahuje nejlepších výsledků. Přesnost implementovaného algoritmu je také porovnána s několika existujícími metodami. Během validace dosáhla implementovaná aplikace KTC více než 45% přesnosti při predikci rodu na datových sadách BLAST 16S i BLAST V4. Na závěr je zmíněno i několik možností vylepšení a rozšíření stávající implementace algoritmu.

With its unique consortium of microorganisms from all domains of life, termite gut is considered one of the most efficient lignocellulose degrading systems in nature. Recently, host diet and taxonomy as well as gut microenvironmental conditions have emerged as main factors shaping microbial communities in termite guts. The aim of this thesis was to investigate this highly efficient lignocellulolytic system at holobiont level, with a particular focus on gut microbiome function and composition in relation to the host diet. As a starting point, we optimised a complete framework for an accurate termite gut prokaryote-oriented metatranscriptomics, which was at the basis of all subsequent sequencing assay designs and analyses performed in the course of the work. Afterwards, we characterised the compositions and functions of biomass-degrading bacterial communities in guts of plant fibre- and soil-feeding higher termites, proving the existence of functional equivalence across microbial populations from different termite hosts. We also showed that each termite is a reservoir of unique microorganisms and their accompanying genes. We further extended above approach to metagenomics and bacterial genomes reconstruction and we applied it to explore the process of biomass digestion in the different sections of the highly compartmented gut of soil feeding Labiotermes labralis. We showed that primarily cellulolytic activity of the termite host was restricted to foregut and midgut, while bacterial contribution was most pronounced in P1 and P3 hindgut compartments and included activities targeting broad range of lignocellulose components. Finally, we investigated the adaptation of a laboratory-maintained grass-feeding higher termite colony of Cortaritermes spp. to Miscanthus diet at host and symbiont levels. A natural system of a termite gut was shown to progressively change in composition to yield a consortium of microbes specialised in degradation of a specific biomass. Overall, the integrative omics approach proposed here provide a framework for a better understanding of a complex lignocellulose degradation by a higher termite gut system and pave a road towards its future bioprospecting. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Antibiotics are one of the greatest discoveries in medicine, and emerged resistances have become a global threat. It is theorized that a big part of the antibiotic resistance genes come from the environment, and wastewater treatment plants and hospitals are considered a great breeding ground for the spread of these. The aim of this project is to analyse the microbiome and resistome of the wastewater of Uppsala and to evaluate the efficiency in the elimination of antibiotic resistance genes and bacteria. Samples from the University Hospital and the influents, sand filter and effluent of the Wastewater Treatment Plant were collected, DNA was extracted and sequenced to be analysed through metagenomics to explore them taxonomically and looking for resistance genes. Bacteria were also isolated, and their resistances were analysed. Taxonomical differences became noticeable in Order, Family, Genus and Species, with an increase of diversity in the Effluent samples. A total of 233 resistance genes were found in all the samples. There was a clear reduction in the number of resistance genes in the Effluent samples. However, there was an important number of genes carried in these and some prevail through all the path. Within all the isolates collected, from a total of 11, three E. coli isolates, one C. freundii and one E. cloacae presented resistances. Our study shows that the effluent of the wastewater treatment plant of Uppsala is potentially causing a negative impact on the environment, flushing out water not completely free of antibiotic resistance genes and resistant bacteria.

Le choléra est une infection diarrhéique aiguë qui représente encore aujourd’hui un grave problème de santé publique dans les pays où l’accès à l’eau potable et un système d’assainissement adéquat ne peut pas être garanti. Vibrio cholerae, le pathogène bactérien responsable de cette maladie, peut provoquer toute une série de symptômes chez les individus infectés, allant d’une diarrhée intense conduisant à une déshydratation sévère, au portage asymptomatique de la bactérie. Bien que notre compréhension du choléra à une échelle macro-épidémiologique a considérablement été améliorée par le développement des techniques de séquençage à haut débit et par les avancées dans le domaine de la génomique bactérienne, aucune étude n’a encore été menée pour caractériser son évolution à l’échelle des individus infectés. De plus, le rôle des porteurs asymptomatiques au sein d’une épidémie et la raison derrière l’absence de symptômes chez ces individus infectés sont encore méconnus. L’objectif principal de cette thèse est donc de (1) caractériser la diversité génomique de V. cholerae au niveau des individus et des cercles familiaux, mais aussi (2) d’évaluer le rôle potentiel du microbiome intestinal dans la susceptibilité de contracter cette maladie entérique aiguë et de présenter des symptômes sévères. Dans un premier temps, nous caractérisons la diversité génomique de colonies isolées à partir de patients symptomatiques. Le séquençage de génomes entiers de souches provenant de patients du Bangladesh et d’Haïti révèle que cette diversité sous la forme de mutations ponctuelles reste limitée, mais détectable au sein des hôtes. Une grande partie de la variation du contenu génétique semble être surtout due au gain et à la perte de phages et de plasmides au sein de la population de V. cholerae, avec des échanges occasionnels entre le pathogène et d’autres membres commensaux du microbiote intestinal. Cela contredit l’hypothèse couramment acceptée que les infections par V. cholerae sont majoritairement clonales, et confirme que le transfert horizontal de gènes est un facteur important dans l’évolution de V. cholerae. De plus, nos résultats montrent que certains de ces variants peuvent avoir un effet phénotypique, impactant par exemple la formation de biofilms, et peuvent être sélectionnés au sein des individus infectés. Par la suite, nous appliquons une association de méthodes de séquençage de génomes entiers et de méthodes métagénomiques afin d’améliorer la détection des variants intra-hôte, à la fois chez des patients symptomatiques, mais aussi chez des porteurs asymptomatiques. Notre étude montre que l’approche métagénomique offre une meilleure résolution dans la détection de la diversité dans la population microbienne, mais reste difficile à appliquer chez des patients asymptomatiques, en raison du faible nombre de cellules de V. cholerae chez ces patients. Dans l’ensemble, nous constatons que le niveau de diversité au sein de la population bactérienne intra-hôte est similaire entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. Nous détectons aussi la présence de souches hypermutantes chez certains patients. De plus, alors que les mutations chez les patients porteurs de phénotypes d’hypermutations ne semblent pas sous l’effet de la sélection, des signes d'évolution parallèle sont détectés chez les patients présentant un plus faible nombre de mutations, suggérant des mécanismes d’adaptation au sein de l’hôte. Nos résultats soulignent la puissance de la métagénomique combinée au séquençage de génomes entiers pour caractériser la diversité intra-hôte dans le cas d’une infection aiguë du choléra, mais aussi dans le cas de portage asymptomatique, tout en identifiant pour la première fois le phénotype d’hypermutation chez des patients infectés. Finalement, nous nous intéressons aux facteurs liés à la susceptibilité à la maladie et à la sévérité des symptômes. Basée sur une étude récente utilisant le séquençage 16S pour montrer le lien potentiel entre le microbiome intestinal et la susceptibilité à l’infection par V. cholerae, nos analyses utilisent les méthodes de séquençage métagénomique sur les mêmes échantillons de cette précédente étude afin de caractériser les profils taxonomiques et fonctionnels du microbiome intestinal de contacts familiaux exposés à V. cholerae. Les échantillons sont prélevés avant l’infection de ces contacts familiaux et l’apparition ou non de symptômes, et sont analysés pour identifier des prédicteurs à la maladie symptomatique. Grâce à un algorithme d’apprentissage machine, nous pouvons identifier des espèces, des familles de gènes et des voies métaboliques du microbiome au moment de l'exposition à V. cholerae pour détecter des biomarqueurs potentiels corrélés avec les risques d'infection et la gravité des symptômes. Nos résultats montrent que l’utilisation du séquençage métagénomique améliore la précision et l’exactitude des prévisions par rapport au séquençage 16S. Nos analyses permettent aussi de prédire la gravité de la maladie, bien qu’avec une plus grande incertitude que la prédiction de l’infection. Des taxons bactériens des genres Prevotella et Bifidobacterium ont été identifiées comme des marqueurs potentiels de protection contre l’infection, tout comme gènes impliqués dans le métabolisme du fer. Nos résultats soulignent le pouvoir de la métagénomique pour prédire l’évolution des maladies et identifient des espèces et des gènes spécifiques pouvant être impliqués dans des tests expérimentaux afin d’étudier les mécanismes liés au microbiome intestinal expliquant la potentielle protection contre le choléra. / Cholera is an acute diarrhoeal disease that remains a global threat to public health in countries where access to safe water and adequate sanitation cannot be guaranteed. Vibrio cholerae, the bacterial pathogen responsible for this disease, can cause a range of symptoms in infected individuals, from intense diarrhea leading to severe dehydration, to asymptomatic carriage of the bacteria. Although our understanding of cholera on a macro-epidemiological scale has been considerably improved by the development of high-throughput sequencing techniques and by advances in bacterial genomics, no studies have yet been conducted to characterize its evolution at the scale of infected individuals. Furthermore, the role of asymptomatic carriers in an epidemic and the reason behind the absence of symptoms in these infected individuals remains unknown. The main objective of this thesis is therefore to characterize the genomic diversity of V. cholerae at the level of individuals and households, but also to evaluate the potential role of the gut microbiome in the susceptibility to contract this acute enteric disease and to present severe symptoms. First, we characterize the genomic diversity of colonies isolated from symptomatic patients. The whole genome sequencing of strains from patients in Bangladesh and Haiti reveals that this diversity is detectable in the form of point mutations within hosts, but remains limited. Much of the variation detected within patients appears to be due to the gain and loss of phages and plasmids within the V. cholerae population, with occasional exchanges between the pathogen and other commensal members of the gut microbiota. These results challenge the commonly accepted assumption that V. cholerae infections are predominantly clonal, and confirm that horizontal gene transfer is an important factor in the evolution of V. cholerae. In addition, our results show that some of these variants may also have a phenotypic effect, for example by impacting biofilm formation, and can be selected within infected individuals. Next, we apply a combination of whole genome sequencing and metagenomic approaches to improve the detection of intra-host variants, both in symptomatic patients and in asymptomatic carriers. Our study shows that the metagenomic approach offers a better resolution in the detection of the diversity in the microbial population, but remains difficult to apply in asymptomatic patients, due to the low number of V. cholerae cells in these individuals. Overall, we find that the level of diversity within the intra-host bacterial population is similar between symptomatic and asymptomatic patients. We also detect the presence of hypermutator strains in some patients. In addition, while mutations in patients with hypermutator phenotypes did not appear to be driven by selection, signs of parallel evolution are detected in patients with fewer mutations, suggesting adaptive mechanisms within the host. Our results underline the power of metagenomics combined with whole genome sequencing to characterize intra-host diversity in acute cholera infection, but also in asymptomatic carriers, while identifying for the first time an hypermutator phenotype in infected patients. Finally, we are interested in factors related to susceptibility to the disease and related to the severity of symptoms. Based on a recent study using 16S rRNA amplicon sequencing to show the potential link between the intestinal microbiome and susceptibility to V. cholerae infection, our study uses metagenomic sequencing methods on the same samples from this previous study to characterize the taxonomic and functional profiles of the gut microbiome of household contacts exposed to V. cholerae. Samples are collected prior to infection of these household contacts, and used to identify predictors of symptomatic disease. Using a machine learning algorithm, we can identify species, gene families and metabolic pathways in the microbiome at the time of exposure to V. cholerae to detect potential biomarkers correlated with risk of infection and symptom severity. Our results show that the use of metagenomic sequencing improves the precision and accuracy of predictions compared to 16S rRNA amplicon sequencing. Our analyses also predict disease severity, although with greater uncertainty than the prediction of infection. Bacterial taxa from the genera Prevotella and Bifidobacterium have been identified as potential markers of protection against infection, as well as genes involved in iron metabolism. Our results highlight the power of metagenomics to predict disease progression and identify specific species and genes that could be involved in experimental tests to study the mechanisms related to the microbiome explaining potential protection against cholera.

Viruses are the most abundant organisms on Earth, yet their collective evolutionary history, biodiversity and functional capacity is not well understood. Viral metagenomics offers a potential means of establishing a more comprehensive view of virus diversity and evolution, as vast amounts of new sequence data becomes available for comparative analysis.Metagenomic DNA from virus-sized particles (smaller than 0.2 microns in diameter) was isolated from approximately 20 liters of sediment obtained from Boiling Springs Lake (BSL) and sequenced. BSL is a large, acidic hot-spring (with a pH of 2.2, and temperatures ranging from 50°C to 96°C) located in Lassen Volcanic National Park, USA. BSL supports a purely microbial ecosystem comprised largely of Archaea and Bacteria, however, the lower temperature regions permit the growth of acid- and thermo-tolerant Eukarya. This distinctive feature of the BSL microbial ecosystem ensures that virus types infecting all domains of life will be present. The metagenomic sequence data was used to characterize the types of viruses present within the microbial ecosystem, to ascertain the extent of genetic diversity and novelty comprising the BSL virus assemblage, and to explore the genomic and structural modalities of virus evolution.Metagenomic surveys of natural virus assemblages, including the survey of BSL, have revealed that the diversity within the virosphere far exceeds what has currently been determined through the detailed study of viruses that are relevant to human health and agriculture. The number of as-yet-uncharacterized virus protein families present in the BSL assemblage was estimated by clustering analysis. Genomic context analysis of the predicted viral protein sequences in the BSL dataset indicates that most of the putative uncharacterized proteins are endemic or unique to BSL, and are largely harbored by known virus types. A comparative metagenomic analysis approach identified a set of conserved, yet uncharacterized BSL protein sequences that are commonly found in other similar and dissimilar environments.New sequence data from metagenomic surveys of natural virus assemblages was also used to better characterize and define known virus protein families, as some of the viruses found in the BSL environment represent distant relatives of well-characterized isolates. By comparing viral genes and protein sequences from these highly divergent species, it is possible to better understand the dynamics of adaptation and evolution in the virosphere. Additionally, as structures of virus proteins continue to be experimentally determined by X-ray crystallography and cryo-electron microscopy, a merger of structural and metagenomic sequence data allows the opportunity to observe the structural dynamics underlying virus protein evolution.Capsid (structural) proteins from two distinct Microviridae strains; a globally ubiquitous and highly sequence-diverse virus family, were identified in, and isolated from the BSL metagenomic DNA sample. These BSL capsid protein sequences, along with several other homologous sequences derived from metagenomic surveys and laboratory isolates, were mapped to the solved structure of a closely related capsid protein from the Spiroplasma phage-4 microvirus. Patterns of amino acid sequence conservation, unveiled by structure-based homology modeling analysis, revealed that the protein sequences within this family exhibit a remarkable level of plasticity, while remaining structurally and functionally congruent.Lateral gene transfer is thought to have had a significant impact on the genomic evolution and adaptation of virus families. Genomic context analysis was also utilized to identify interviral gene transfer within the BSL virus assemblage. An ostensibly rare interviral gene transfer event, having transpired between single-stranded RNA and DNA virus types, was detected in the BSL metagenome. Similar genomes were subsequently detected in other ecosystems around the globe. The discovery of this new virus genome dramatically underscores the scope and importance of genetic mobility and genomic mosaicism as major forces driving the evolution of viruses.The analyses conducted herein demonstrate the many ways in which viral metagenomic sequence data may be utilized to not only evaluate the composition of a natural virus assemblage, but to discover new viral genes, and to better understand the dynamics of both genomic and structural evolution within the virosphere.