We present a global atlas of 4,728 metagenomic samples from mass-transit systems in 60 cities over 3 years, representing the first systematic, worldwide catalog of the urban microbial ecosystem. This atlas provides an annotated, geospatial profile of microbial strains, functional characteristics, antimicrobial resistance (AMR) markers, and genetic elements, including 10,928 viruses, 1,302 bacteria, 2 archaea, and 838,532 CRISPR arrays not found in reference databases. We identified 4,246 known species of urban microorganisms and a consistent set of 31 species found in 97% of samples that were distinct from human commensal organisms. Profiles of AMR genes varied widely in type and density across cities. Cities showed distinct microbial taxonomic signatures that were driven by climate and geographic differences. These results constitute a high-resolution global metagenomic atlas that enables discovery of organisms and genes, highlights potential public health and forensic applications, and provides a culture-independent view of AMR burden in cities.

Spaceflight induces an immune response in astronauts. To better characterize this effect, we generated single-cell, multi-ome, cell-free RNA (cfRNA), biochemical, and hematology data for the SpaceX Inspiration4 (I4) mission crew. We found that 18 cytokines/chemokines related to inflammation, aging, and muscle homeostasis changed after spaceflight. In I4 single-cell multi-omics data, we identified a "spaceflight signature" of gene expression characterized by enrichment in oxidative phosphorylation, UV response, immune function, and TCF21 pathways. We confirmed the presence of this signature in independent datasets, including the NASA Twins Study, the I4 skin spatial transcriptomics, and 817 NASA GeneLab mouse transcriptomes. Finally, we observed that (1) T cells showed an up-regulation of FOXP3, (2) MHC class I genes exhibited long-term suppression, and (3) infection-related immune pathways were associated with microbiome shifts. In summary, this study reveals conserved and distinct immune disruptions occurring and details a roadmap for potential countermeasures to preserve astronaut health.

Abstract The SpaceX Inspiration4 mission provided a unique opportunity to study the impact of spaceflight on the human body. Biospecimen samples were collected from four crew members longitudinally before (Launch: L-92, L-44, L-3 days), during (Flight Day: FD1, FD2, FD3), and after (Return: R + 1, R + 45, R + 82, R + 194 days) spaceflight, spanning a total of 289 days across 2021-2022. The collection process included venous whole blood, capillary dried blood spot cards, saliva, urine, stool, body swabs, capsule swabs, SpaceX Dragon capsule HEPA filter, and skin biopsies. Venous whole blood was further processed to obtain aliquots of serum, plasma, extracellular vesicles and particles, and peripheral blood mononuclear cells. In total, 2,911 sample aliquots were shipped to our central lab at Weill Cornell Medicine for downstream assays and biobanking. This paper provides an overview of the extensive biospecimen collection and highlights their processing procedures and long-term biobanking techniques, facilitating future molecular tests and evaluations.As such, this study details a robust framework for obtaining and preserving high-quality human, microbial, and environmental samples for aerospace medicine in the Space Omics and Medical Atlas (SOMA) initiative, which can aid future human spaceflight and space biology experiments.

Abstract As spaceflight becomes more common with commercial crews, blood-based measures of crew health can guide both astronaut biomedicine and countermeasures. By profiling plasma proteins, metabolites, and extracellular vesicles/particles (EVPs) from the SpaceX Inspiration4 crew, we generated “spaceflight secretome profiles,” which showed significant differences in coagulation, oxidative stress, and brain-enriched proteins. While >93% of differentially abundant proteins (DAPs) in vesicles and metabolites recovered within six months, the majority (73%) of plasma DAPs were still perturbed post-flight. Moreover, these proteomic alterations correlated better with peripheral blood mononuclear cells than whole blood, suggesting that immune cells contribute more DAPs than erythrocytes. Finally, to discern possible mechanisms leading to brain-enriched protein detection and blood-brain barrier (BBB) disruption, we examined protein changes in dissected brains of spaceflight mice, which showed increases in PECAM-1, a marker of BBB integrity. These data highlight how even short-duration spaceflight can disrupt human and murine physiology and identify spaceflight biomarkers that can guide countermeasure development.

Abstract Spaceflight induces molecular, cellular and physiological shifts in astronauts and poses myriad biomedical challenges to the human body, which are becoming increasingly relevant as more humans venture into space 1–6 . Yet current frameworks for aerospace medicine are nascent and lag far behind advancements in precision medicine on Earth, underscoring the need for rapid development of space medicine databases, tools and protocols. Here we present the Space Omics and Medical Atlas (SOMA), an integrated data and sample repository for clinical, cellular and multi-omic research profiles from a diverse range of missions, including the NASA Twins Study 7 , JAXA CFE study 8,9 , SpaceX Inspiration4 crew 10–12 , Axiom and Polaris. The SOMA resource represents a more than tenfold increase in publicly available human space omics data, with matched samples available from the Cornell Aerospace Medicine Biobank. The Atlas includes extensive molecular and physiological profiles encompassing genomics, epigenomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics and microbiome datasets, which reveal some consistent features across missions, including cytokine shifts, telomere elongation and gene expression changes, as well as mission-specific molecular responses and links to orthologous, tissue-specific mouse datasets. Leveraging the datasets, tools and resources in SOMA can help to accelerate precision aerospace medicine, bringing needed health monitoring, risk mitigation and countermeasure data for upcoming lunar, Mars and exploration-class missions.

Abstract Spaceflight can change metabolic, immunological, and biological homeostasis and cause skin rashes and irritation, yet the molecular basis remains unclear. To investigate the impact of short-duration spaceflight on the skin, we conducted skin biopsies on the Inspiration4 crew members before (L-44) and after (R + 1) flight. Leveraging multi-omics assays including GeoMx™ Digital Spatial Profiler, single-cell RNA/ATAC-seq, and metagenomics/metatranscriptomics, we assessed spatial gene expressions and associated microbial and immune changes across 95 skin regions in four compartments: outer epidermis, inner epidermis, outer dermis, and vasculature. Post-flight samples showed significant up-regulation of genes related to inflammation and KRAS signaling across all skin regions. These spaceflight-associated changes mapped to specific cellular responses, including altered interferon responses, DNA damage, epithelial barrier disruptions, T-cell migration, and hindered regeneration were located primarily in outer tissue compartments. We also linked epithelial disruption to microbial shifts in skin swab and immune cell activity to PBMC single-cell data from the same crew and timepoints. Our findings present the inaugural collection and examination of astronaut skin, offering insights for future space missions and response countermeasures.

Maintenance of astronaut health during spaceflight will require monitoring and potentially modulating their microbiomes. However, documenting microbial shifts during spaceflight has been difficult due to mission constraints that lead to limited sampling and profiling. Here we executed a six-month longitudinal study to quantify the high-resolution human microbiome response to three days in orbit for four individuals. Using paired metagenomics and metatranscriptomics alongside single-nuclei immune cell profiling, we characterized time-dependent, multikingdom microbiome changes across 750 samples and 10 body sites before, during and after spaceflight at eight timepoints. We found that most alterations were transient across body sites; for example, viruses increased in skin sites mostly during flight. However, longer-term shifts were observed in the oral microbiome, including increased plaque-associated bacteria (for example, Fusobacteriota), which correlated with immune cell gene expression. Further, microbial genes associated with phage activity, toxin-antitoxin systems and stress response were enriched across multiple body sites. In total, this study reveals in-depth characterization of microbiome and immune response shifts experienced by astronauts during short-term spaceflight and the associated changes to the living environment, which can help guide future missions, spacecraft design and space habitat planning.

Human spaceflight has historically been managed by government agencies, such as in the NASA Twins Study

Abstract The advent of civilian spaceflight challenges scientists to precisely describe the effects of spaceflight on human physiology, particularly at the molecular and cellular level. Newer, nanopore-based sequencing technologies can quantitatively map changes in chemical structure and expression at single molecule resolution across entire isoforms. We perform long-read, direct RNA nanopore sequencing, as well as Ultima high-coverage RNA-sequencing, of whole blood sampled longitudinally from four SpaceX Inspiration4 astronauts at seven timepoints, spanning pre-flight, day of return, and post-flight recovery. We report key genetic pathways, including changes in erythrocyte regulation, stress induction, and immune changes affected by spaceflight. We also present the first m 6 A methylation profiles for a human space mission, suggesting a significant spike in m 6 A levels immediately post-flight. These data and results represent the first longitudinal long-read RNA profiles and RNA modification maps for each gene for astronauts, improving our understanding of the human transcriptome’s dynamic response to spaceflight.

Abstract Background Lake Hillier is a hypersaline lake known for its distinctive bright pink color. The cause of this phenomenon in other hypersaline sites has been attributed to halophiles, Dunaliella , and Salinibacter , however, a systematic analysis of the microbial communities, their functional features, and the prevalence of pigment-producing-metabolisms has not been previously studied. Our results are evidence that Lake Hillier is composed of a diverse set of microorganisms including archaea, bacteria, algae, and viruses. Our data indicate a core microbiome in Lake Hillier composed of multiple pigment-producer microbes, many of which are cataloged as polyextremophiles. Additionally, we estimated the diversity of metabolic pathways in the lake and determined that many of these are related to pigment production. We reconstructed complete or partial genomes for 21 discrete bacteria (N = 14) and archaea (N = 7), only 2 of which could be taxonomically annotated to previously observed species. Our findings provide the first metagenomic study to decipher the source of the pink color of Australia’s Lake Hillier. The study of this pink hypersaline environment is evidence of a microbial consortium of pigment producers, a repertoire of polyextremophiles, a core microbiome and potentially novel species.