A pathway for the production of aromatic amino acid metabolites in Clostridium sporogenes is described; modulation of serum levels of these metabolites in gnotobiotic mice affects intestinal permeability and systemic immunity. The human microbiome has a substantial effect on our health. Our gut microbes produce a range of small molecules, many of which can reach relevant concentrations, yet we know surprisingly little about microbial metabolic pathways and how they affect the host. Here, Justin Sonnenburg, Michael Fischbach and colleagues use genetics and metabolic profiling to identify the gene cluster of Clostridium sporogenes that metabolizes aromatic amino acids, several of the products of which are produced exclusively by the microbiota. For example, the neuroprotective agent indolepropionic acid (IPA) was also produced by several other gut bacteria. In mice with controlled bacterial colonies, the serum levels of IPA and host physiology can be modulated by genetic modification of C. sporogenes. The human gut microbiota produces dozens of metabolites that accumulate in the bloodstream1,2, where they can have systemic effects on the host. Although these small molecules commonly reach concentrations similar to those achieved by pharmaceutical agents, remarkably little is known about the microbial metabolic pathways that produce them. Here we use a combination of genetics and metabolic profiling to characterize a pathway from the gut symbiont Clostridium sporogenes that generates aromatic amino acid metabolites. Our results reveal that this pathway produces twelve compounds, nine of which are known to accumulate in host serum. All three aromatic amino acids (tryptophan, phenylalanine and tyrosine) serve as substrates for the pathway, and it involves branching and alternative reductases for specific intermediates. By genetically manipulating C. sporogenes, we modulate serum levels of these metabolites in gnotobiotic mice, and show that in turn this affects intestinal permeability and systemic immunity. This work has the potential to provide the basis of a systematic effort to engineer the molecular output of the gut bacterial community.

Antibiotic treatment disturbs the commensal microbiota and is often followed by infection with enteric pathogens such as Salmonella typhimurium and Clostridium difficile; pathogen expansion is fuelled by antibiotic-driven accumulation of commensal-liberated host mucosal carbohydrates. Intestinal microbiota can provide protection against invading pathogens through competition for resources and production of specific antimicrobial products. But disruption of the microbiota with antibiotics can contribute to the emergence of several enteric pathogens. Justin Sonnenburg and colleagues show here that two antibiotic-associated pathogens, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Clostridium difficile, catabolize microbiota-liberated host sugars to fuel their growth in the mouse gut. In particular, the ability to use sialic acid cleaved from host polysaccharides by Bacteroides thetaiotaomicron is important for pathogen expansion. These findings identify a role for the gut microbiota in facilitating enteric pathogen infection and provide new options for developing therapeutics. The human intestine, colonized by a dense community of resident microbes, is a frequent target of bacterial pathogens. Undisturbed, this intestinal microbiota provides protection from bacterial infections. Conversely, disruption of the microbiota with oral antibiotics often precedes the emergence of several enteric pathogens1,2,3,4. How pathogens capitalize upon the failure of microbiota-afforded protection is largely unknown. Here we show that two antibiotic-associated pathogens, Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. typhimurium) and Clostridium difficile, use a common strategy of catabolizing microbiota-liberated mucosal carbohydrates during their expansion within the gut. S. typhimurium accesses fucose and sialic acid within the lumen of the gut in a microbiota-dependent manner, and genetic ablation of the respective catabolic pathways reduces its competitiveness in vivo. Similarly, C. difficile expansion is aided by microbiota-induced elevation of sialic acid levels in vivo. Colonization of gnotobiotic mice with a sialidase-deficient mutant of Bacteroides thetaiotaomicron, a model gut symbiont, reduces free sialic acid levels resulting in C. difficile downregulating its sialic acid catabolic pathway and exhibiting impaired expansion. These effects are reversed by exogenous dietary administration of free sialic acid. Furthermore, antibiotic treatment of conventional mice induces a spike in free sialic acid and mutants of both Salmonella and C. difficile that are unable to catabolize sialic acid exhibit impaired expansion. These data show that antibiotic-induced disruption of the resident microbiota and subsequent alteration in mucosal carbohydrate availability are exploited by these two distantly related enteric pathogens in a similar manner. This insight suggests new therapeutic approaches for preventing diseases caused by antibiotic-associated pathogens.

The intestinal microbiota impacts many facets of human health and is associated with human diseases. Diet impacts microbiota composition, yet mechanisms that link dietary changes to microbiota alterations remain ill-defined. Here we elucidate the basis of Bacteroides proliferation in response to fructans, a class of fructose-based dietary polysaccharides. Structural and genetic analysis disclosed a fructose-binding, hybrid two-component signaling sensor that controls the fructan utilization locus in Bacteroides thetaiotaomicron. Gene content of this locus differs among Bacteroides species and dictates the specificity and breadth of utilizable fructans. BT1760, an extracellular beta2-6 endo-fructanase, distinguishes B. thetaiotaomicron genetically and functionally, and enables the use of the beta2-6-linked fructan levan. The genetic and functional differences between Bacteroides species are predictive of in vivo competitiveness in the presence of dietary fructans. Gene sequences that distinguish species' metabolic capacity serve as potential biomarkers in microbiomic datasets to enable rational manipulation of the microbiota via diet.

Background & Aims

 Diet has major effects on the intestinal microbiota, but the exact mechanisms that alter complex microbial communities have been difficult to elucidate. In addition to the direct influence that diet exerts on microbes, changes in microbiota composition and function can alter host functions such as gastrointestinal (GI) transit time, which in turn can further affect the microbiota. 

Methods

 We investigated the relationships among diet, GI motility, and the intestinal microbiota using mice that are germ-free (GF) or humanized (ex-GF mice colonized with human fecal microbiota). 

Results

 Analysis of gut motility revealed that humanized mice fed a standard polysaccharide-rich diet had faster GI transit and increased colonic contractility compared with GF mice. Humanized mice with faster transit due to administration of polyethylene glycol or a nonfermentable cellulose-based diet had similar changes in gut microbiota composition, indicating that diet can modify GI transit, which then affects the composition of the microbial community. However, altered transit in mice fed a diet of fermentable fructooligosaccharide indicates that diet can change gut microbial function, which can affect GI transit. 

Conclusions

 Based on studies in humanized mice, diet can affect GI transit through microbiota-dependent or microbiota-independent pathways, depending on the type of dietary change. The effect of the microbiota on transit largely depends on the amount and type (fermentable vs nonfermentable) of polysaccharides present in the diet. These results have implications for disorders that affect GI transit and gut microbial communities, including irritable bowel syndrome and inflammatory bowel disease.

The gut microbiota synthesize hundreds of molecules, many of which influence host physiology. Among the most abundant metabolites are the secondary bile acids deoxycholic acid (DCA) and lithocholic acid (LCA), which accumulate at concentrations of around 500 μM and are known to block the growth of Clostridium difficile1, promote hepatocellular carcinoma2 and modulate host metabolism via the G-protein-coupled receptor TGR5 (ref. 3). More broadly, DCA, LCA and their derivatives are major components of the recirculating pool of bile acids4; the size and composition of this pool are a target of therapies for primary biliary cholangitis and nonalcoholic steatohepatitis. Nonetheless, despite the clear impact of DCA and LCA on host physiology, an incomplete knowledge of their biosynthetic genes and a lack of genetic tools to enable modification of their native microbial producers limit our ability to modulate secondary bile acid levels in the host. Here we complete the pathway to DCA and LCA by assigning and characterizing enzymes for each of the steps in its reductive arm, revealing a strategy in which the A–B rings of the steroid core are transiently converted into an electron acceptor for two reductive steps carried out by Fe–S flavoenzymes. Using anaerobic in vitro reconstitution, we establish that a set of six enzymes is necessary and sufficient for the eight-step conversion of cholic acid to DCA. We then engineer the pathway into Clostridium sporogenes, conferring production of DCA and LCA on a nonproducing commensal and demonstrating that a microbiome-derived pathway can be expressed and controlled heterologously. These data establish a complete pathway to two central components of the bile acid pool. The biosynthetic pathway that produces the secondary bile acids DCA and LCA in human gut microbes has been fully characterized, engineered into another bacterial host, and used to confer DCA production in germ-free mice—an important proof-of-principle for the engineering of gut microbial pathways.

Significance Our data demonstrate that differences in host genotype that affect the carbohydrate landscape of the distal gut interact with diet to alter the composition and function of resident microbes in a diet-dependent manner.

Antibiotics alter microbiota composition and increase infection susceptibility. However, the generalizable effects of antibiotics on and the contribution of environmental variables to gut commensals remain unclear. To address this, we tracked microbiota dynamics with high temporal and taxonomic resolution during antibiotic treatment in a controlled murine system by isolating variables such as diet, treatment history, and housing co-inhabitants. Human microbiotas were remarkably resilient and recovered during antibiotic treatment, with transient dominance of resistant Bacteroides and taxa-asymmetric diversity reduction. In certain cases, in vitro sensitivities were not predictive of in vivo responses, underscoring the significance of host and community context. A fiber-deficient diet exacerbated microbiota collapse and delayed recovery. Species replacement through cross housing after ciprofloxacin treatment established resilience to a second treatment. Single housing drastically disrupted recovery, highlighting the importance of environmental reservoirs. Our findings highlight deterministic microbiota adaptations to perturbations and the translational potential for modulating diet, sanitation, and microbiota composition during antibiotics.

Gut bacteria face a key problem in how they capture enough energy to sustain their growth and physiology. The gut bacterium Clostridium sporogenes obtains its energy by utilizing amino acids in pairs, coupling the oxidation of one to the reduction of another—the Stickland reaction. Oxidative pathways produce ATP via substrate-level phosphorylation, whereas reductive pathways are thought to balance redox. In the present study, we investigated whether these reductive pathways are also linked to energy generation and the production of microbial metabolites that may circulate and impact host physiology. Using metabolomics, we find that, during growth in vitro, C. sporogenes produces 15 metabolites, 13 of which are present in the gut of C. sporogenes-colonized mice. Four of these compounds are reductive Stickland metabolites that circulate in the blood of gnotobiotic mice and are also detected in plasma from healthy humans. Gene clusters for reductive Stickland pathways suggest involvement of electron transfer proteins, and experiments in vitro demonstrate that reductive metabolism is coupled to ATP formation and not just redox balance. Genetic analysis points to the broadly conserved Rnf complex as a key coupling site for energy transduction. Rnf complex mutants show aberrant amino acid metabolism in a defined medium and are attenuated for growth in the mouse gut, demonstrating a role of the Rnf complex in Stickland metabolism and gut colonization. Our findings reveal that the production of circulating metabolites by a commensal bacterium within the host gut is linked to an ATP-yielding redox process. The gut bacterium Clostridium sporogenes uses reductive Stickland reactions for energy and consequently produces metabolites that circulate in the host.