The human gut microbiome plays an important role in health, but its archaeal diversity remains largely unexplored. In the present study, we report the analysis of 1,167 nonredundant archaeal genomes (608 high-quality genomes) recovered from human gastrointestinal tract, sampled across 24 countries and rural and urban populations. We identified previously undescribed taxa including 3 genera, 15 species and 52 strains. Based on distinct genomic features, we justify the split of the Methanobrevibacter smithii clade into two separate species, with one represented by the previously undescribed ‘Candidatus Methanobrevibacter intestini’. Patterns derived from 28,581 protein clusters showed significant associations with sociodemographic characteristics such as age groups and lifestyle. We additionally show that archaea are characterized by specific genomic and functional adaptations to the host and carry a complex virome. Our work expands our current understanding of the human archaeome and provides a large genome catalogue for future analyses to decipher its impact on human physiology. Recovery of 1,167 nonredundant archaeal genomes from the human gut microbiomes reveals previously undescribed genera, associations with sociodemographic factors and the presence of an archaeal virome.

The human gut microbiome plays an important role in health and disease, but the archaeal diversity therein remains largely unexplored. Here we report the pioneering analysis of 1,167 non-redundant archaeal genomes recovered from human gastrointestinal tract microbiomes across countries and populations. We identified three novel genera and 15 novel species including 52 previously unknown archaeal strains. Based on distinct genomic features, we warrant the split of the Methanobrevibacter smithii clade into two separate species, with one represented by the novel Candidatus M. intestini. Patterns derived from 1.8 million proteins and 28,851 protein clusters coded in these genomes showed a substantial correlation with socio-demographic characteristics such as age and lifestyle. We infer that archaea are actively replicating in the human gastrointestinal tract and are characterized by specific genomic and functional adaptations to the host. We further demonstrate that the human gut archaeome carries a complex virome, with some viral species showing unexpected host flexibility. Our work furthers our current understanding of the human archaeome, and provides a large genome catalogue for future analyses to decipher its role and impact on human physiology.

Summary Archaea are responsible for methane production in the human gastrointestinal tract. Twenty percent of the Western populations exhale substantial amounts of this gas. The underlying principle determining high or low methane emission and its effect on human health was still not sufficiently understood. In this study, we analysed the gastrointestinal microbiome, archaeome, metagenome, metabolome, and eating behaviour of 100 healthy young adults. We correlated high levels of human methane emission (5-75 ppm) with a 1000-fold increase in Methanobrevibacter smithii . This archaeon co-occurred with a bacterial community specialised on dietary fibre degradation, which included members of the Ruminococcaceae and Christensenellaceae. Methane production was negatively affected by high vitamin B12 and fat intake of the subjects, and was positively associated with increased formate concentrations in the gut. Overall, methane emission is explained by dietary habits, host genetics, local metabolite availability and microbiome/archaeome composition, emphasizing the unique biology of high methane-emitters which has potentially positive impact on human health. Abstract Figure Graphical abstract:

Abstract Two mesophilic, hydrogenotrophic methanogens, WWM1085 and M. smithii GRAZ-2 were isolated from human fecal samples. WWM1085 was isolated from an individual in the USA, and represents a novel species with in the genus Methanobrevibacter . M. smithii GRAZ-2 (= DSM 116045) was retrieved from fecal samples of a European, healthy female and represents a novel strain within this genus. Both Methanobrevibacter representatives form non-flagellated, short rods with variable morphologies and the capacity to form filaments. Both isolates showed the typical fluorescence of F 420 and methane production. Compared to M. smithii GRAZ-2, WWM1085 did not accumulate formate when grown on H 2 and CO 2 . The optimal growth conditions were at 37°C, and pH 7. Full genome sequencing revealed a genomic difference of WWM1085 to the type strain of M. smithii PS (type strain; DSM 861), with 93.55% ANI and major differences in the sequence of its mcrA gene (3.3% difference in nucleotide sequence). Differences in the 16S rRNA gene were very minor and thus distinction based on this sequence might not be possible. M. smithii GRAZ-2 was identified as a novel strain within the Methanobrevibacter genus (ANI 99.04 % to M. smithii PS). Due to the major differences of WWM1085 and M. smithii type strain PS in phenotypic, genomic and metabolic features, we propose M. intestini sp. nov. as a novel species with WWM1085 as the type strain (DSM 116060T = CECT 30992).

Abstract Background People in westernised countries spend most of their time indoors. A healthy human microbiome relies on the interaction with and exchange of microbes that takes place between the human body and its environment. For this reason, the built environment might represent a potent source of commensal microbes. Anaerobic microbes are of particular interest, as researchers have not yet sufficiently clarified how the human microbiome acquires oxygen-sensitive microbes, such as obligate or facultative anaerobes. Methods We sampled ten households and used propidium monoazide to assess the viability of the collected prokaryotes. We compared the microbiome profiles based on 16S rRNA gene sequencing and confirmed our results by genetic and cultivation-based analyses. Results Quantitative and qualitative analysis revealed that most of the microbial taxa are of human origin. Less than 25% of the prokaryotic signatures found in built environment (BE) samples originate from intact – and thus potentially living – cells, indicating that aerobic and stress resistant taxa display an apparent survival advantage. Although the dominant microbial fraction identified on the bathroom floors is composed of aerobes, we confirmed the presence of strictly anaerobic taxa, including methanogenic archaea, in PMA-treated samples. As methanogens are regarded as highly sensitive to aerobic conditions, oxygen-tolerance experiments were performed with human-associated isolates to validate their survival. These results show that these taxa have a limited but substantial ability to survive in the BE. We determined that human-associated methanogens can survive oxic conditions for at least 6 h. Conclusions This study enabled us to collect strong evidence that supports the hypothesis that obligate anaerobic taxa can survive in the BE for a limited amount of time. This suggests that the BE serves as a potential source of anaerobic human commensals.

Abstract Archaea are integral components of the human microbiome but persist as understudied entities within the gastrointestinal tract (GIT), primarily due to the lack of cultured representatives for comprehensive mechanistic investigations. With only four Methanobrevibacter smithii isolates from humans available according to the Global Catalogue of Microorganisms (GCM), the existing cultures fail to adequately represent the observed diversity, as underscored by recent findings. This study introduces a targeted cultivation method for enriching methanogenic archaea from human fecal samples. Applied to 16 stool samples from healthy and diseased donors, the method aimed to genomically characterize the archaeal cultures and establish correlations with gastrointestinal disorders. The procedure combines methane breath testing, in silico metabolic modelling, media optimization, FACS, dilution series, and genomic sequencing through Nanopore technology. Additional analyses include co-cultured bacteriome, comparative genomics of archaeal genomes, functional comparisons, and structure-based protein function prediction of unknown differential traits. Successful establishment of stable archaeal cultures from 14 out of 16 fecal samples yielded nine previously uncultivated strains, eight of which were absent from a recent archaeome genome catalog. Comparative genomic and functional assessments of Methanobrevibacter smithii and Candidatus Methanobrevibacter intestini strains from diverse participant cohorts revealed features potentially associated with gastrointestinal diseases. This work substantially broadens the scope of available archaeal representatives for functional and mechanistic studies in the human GIT. The established protocol facilitates the cultivation of methanogenic archaea from nearly every human fecal sample, offering insights into the adaptability of Candidatus Methanobrevibacter intestini genomes in critical microbiome situations.

Abstract The reciprocal relationship between aging and alterations in the gut microbiota is a subject of ongoing research. While the role of bacteria in the gut microbiome is well-documented, specific changes in the composition of methanogens during extreme aging and the impact of high methane production in general on health remain unclear. To address these questions, we analyzed metagenomic data from the stool samples of young adults (n=127, Age: 19-59 y), older adults (n=86), and centenarians (n=34, age: 100-109 years). Our findings reveal a compelling link between age and the prevalence of high methanogen phenotype, while overall archaeal diversity diminishes. Surprisingly, the archaeal composition of methanogens in the microbiome of centenarians appears more akin to that of younger adults, showing an increase in Methanobrevibacter smithii , rather than Ca. M. intestini. Remarkably, Ca. M. intestini emerged as a central player in the network stability of adults, paving the way for M. smithii in older adults and centenarians. Notably, centenarians exhibit a highly complex and stable network of these two methanogens with other bacteria. Furthermore, the mutual exclusion between Lachnospiraceae and these methanogens throughout all age groups suggests that these archaeal communities may compensate for the age-related drop in Lachnospiraceae by co-occurring with butyrate-producing Oscillospiraceae. This study underscores the crucial role of the archaeal microbiome in human physiology and aging. It highlights age-related shifts in methanogen composition, emphasizing the significance of Ca. M. intestini and the partnership between methanogens and specific butyrate-producing bacteria for enhanced health and potential longevity.

Ammonia oxidizing archaea (AOA) have been repeatedly detected in the human skin microbiome through molecular and biochemical analyses, yet their persistence, physiology, and adaptations remain poorly understood. Here, we describe two cultivated strains, Candidatus Nitrosocosmicus epidermidis and Ca. Nitrosocosmicus unguis, enriched from human skin samples. These autotrophic strains grow on ammonia and urea as sole energy sources. Genomic islands and expanded gene families in their genomes testify to the capacity of colonizing skin, including specific interactions with host proteins and signaling cascades that distinguish these AOA from their close relatives from soil. Molecular signatures of Nitrosocosmicus ssp. were consistently identified on individuals in cross-sectional and longitudinal cohorts (n=47) with a higher prevalence in sebaceous areas. Co-occurrence network patterns with specific bacteria reinforce the observation that AOA of the genus Nitrosocosmicus form a stable component of the healthy skin and represent emerging commensals in the human microbiome.

Abstract Mounting evidence suggests that acute appendicitis (AA) is not one but two diseases: complicated appendicitis, which is associated with necrosis leading to perforation or periappendicular abscess, and uncomplicated appendicitis, which does not necessarily result in perforation. Even though AA is the most frequent cause of surgery from abdominal pain, little is known about the origins and etiopathogenesis of this disease, much less regarding the different disease types. In this study, we investigated the microbiome of samples from the appendix, rectum and peritoneum of 60 children and adolescents with AA to assess the composition and potential function of bacteria, archaea and fungi. The analysis of the appendix microbial community revealed a shift depending on the severity of the AA. This shift was reflected by two major community state types that represented the complicated and uncomplicated cases. We could demonstrate that complicated, but not uncomplicated, appendicitis is associated with a significant local expansion of oral, bacterial pathogens in the appendix, most strongly influenced by necrotizing Fusobacterium spp., Porphyromonas and Parvimonas . Uncomplicated appendicitis, however, was characterised by gut-associated microbiomes. Our findings support the hypothesis that two disease types exist in AA, which cannot be distinguished beyond doubt using standard clinical characterization methods or by analysis of the patient’s rectal microbiome. An advanced microbiome diagnosis, however, could improve non-surgical treatment of uncomplicated AA. Importance With a lifetime risk of up to 17%, acute appendicitis is one of the most frequent causes of emergency abdominal surgery in westernized countries. Latest literature reports suggests that appendicitis manifests in two disease types: complicated and uncomplicated appendicitis with different, yet unknown, etiopathogenesis. In this study, we investigated the microbial composition (bacteria, archaea and fungi) from 60 children and adolescents that were diagnosed with acute appendicitis. Appendix, rectal and peritoneal samples were analysed using amplicon and metagenomic sequencing. Our results suggest that acute appendicitis manifests in three microbial state types that reflect complicated and uncomplicated appendicitis as well as special cases that are caused by bacterial overgrowth. Strikingly, uncomplicated appendicitis appears to be caused by gut-associated pathogens while complicated appendicitis is driven by oral-associated microbes such as Fusobacterium sp. or Porphyromonas sp. The findings provided in our study are of special interest to understand the etiopathogenesis of both complicated and uncomplicated appendicitis.

ABSTRACT The microbial ecosystem of women undergoes enormous changes during pregnancy and the perinatal period. Little is known about the extent of changes in the maternal microbiome beyond the vaginal cavity and its recovery after birth. In this study, we followed pregnant women [maternal prepartum (mpre), n = 30] into the postpartum period [1 month postpartum, maternal postpartum (mpost), n = 30]. We profiled their oral, urinary, and vaginal microbiome; archaeome; mycobiome; and urinary metabolome and compared them with those of nonpregnant (np) women ( n = 29). Overall, pregnancy status (np, mpre, and mpost) had a smaller effect on the microbiomes than body site, but massive transitions were observed for the oral and urogenital (vaginal and urinary) microbiomes. While the oral microbiome fluctuates during pregnancy but stabilizes rapidly within the first month postpartum, the urogenital microbiome is characterized by a major remodeling caused by a massive loss of Lactobacillus and thus a shift from Vaginal Community State Type (CST) I (40% of women) to CST IV (85% of women). The urinary metabolome rapidly reached an np-like composition after delivery, apart from lactose and oxaloacetic acid, which were elevated during active lactation. Fungal and archaeal profiles were indicative of pregnancy status. Methanobacterium signatures were found mainly in np women, and Methanobrevibacter showed an opposite behavior in the oral cavity (increased) and vagina (decreased) during pregnancy. Our findings suggest that the massive remodeling of the maternal microbiome and metabolome needs more attention and that potential interventions could be envisioned to optimize recovery and avoid long-term effects on maternal health and subsequent pregnancies. IMPORTANCE The perinatal microbiome is of specific interest for the health of the mother and infant. We therefore investigate the dynamics of the female microbiome from nonpregnant over prepartum to the postpartum period in urine and the oral and vaginal cavities. A specific focus of this study is put not only on the bacterial part of the microbiome but also on the underinvestigated contribution of fungi and archaea. To our knowledge, we present the first study highlighting those aspects. Our findings suggest that the massive remodeling of the maternal microbiome and metabolome needs more attention and that potential interventions could be envisioned to optimize recovery and avoid long-term effects on maternal health and subsequent pregnancies.