The inflammatory bowel diseases (IBDs), which include Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), are multifactorial chronic conditions of the gastrointestinal tract. While IBD has been associated with dramatic changes in the gut microbiota, changes in the gut metabolome—the molecular interface between host and microbiota—are less well understood. To address this gap, we performed untargeted metabolomic and shotgun metagenomic profiling of cross-sectional stool samples from discovery (n = 155) and validation (n = 65) cohorts of CD, UC and non-IBD control patients. Metabolomic and metagenomic profiles were broadly correlated with faecal calprotectin levels (a measure of gut inflammation). Across >8,000 measured metabolite features, we identified chemicals and chemical classes that were differentially abundant in IBD, including enrichments for sphingolipids and bile acids, and depletions for triacylglycerols and tetrapyrroles. While > 50% of differentially abundant metabolite features were uncharacterized, many could be assigned putative roles through metabolomic ‘guilt by association’ (covariation with known metabolites). Differentially abundant species and functions from the metagenomic profiles reflected adaptation to oxidative stress in the IBD gut, and were individually consistent with previous findings. Integrating these data, however, we identified 122 robust associations between differentially abundant species and well-characterized differentially abundant metabolites, indicating possible mechanistic relationships that are perturbed in IBD. Finally, we found that metabolome- and metagenome-based classifiers of IBD status were highly accurate and, like the vast majority of individual trends, generalized well to the independent validation cohort. Our findings thus provide an improved understanding of perturbations of the microbiome–metabolome interface in IBD, including identification of many potential diagnostic and therapeutic targets. Using metabolomics and shotgun metagenomics on stool samples from individuals with and without inflammatory bowel disease, metabolites, microbial species and genes associated with disease were identified and validated in an independent cohort.

The human gut microbiome is linked to many states of human health and disease1. The metabolic repertoire of the gut microbiome is vast, but the health implications of these bacterial pathways are poorly understood. In this study, we identify a link between members of the genus Veillonella and exercise performance. We observed an increase in Veillonella relative abundance in marathon runners postmarathon and isolated a strain of Veillonella atypica from stool samples. Inoculation of this strain into mice significantly increased exhaustive treadmill run time. Veillonella utilize lactate as their sole carbon source, which prompted us to perform a shotgun metagenomic analysis in a cohort of elite athletes, finding that every gene in a major pathway metabolizing lactate to propionate is at higher relative abundance postexercise. Using 13C3-labeled lactate in mice, we demonstrate that serum lactate crosses the epithelial barrier into the lumen of the gut. We also show that intrarectal instillation of propionate is sufficient to reproduce the increased treadmill run time performance observed with V. atypica gavage. Taken together, these studies reveal that V. atypica improves run time via its metabolic conversion of exercise-induced lactate into propionate, thereby identifying a natural, microbiome-encoded enzymatic process that enhances athletic performance. A closer look at the gut microbiome of elite marathon runners unveils a microbe-encoded enzymatic process that contributes to enhanced athletic performance.

Targeted degradation of bacterial sensing proteins keeps plant defenses from running amok.

A mosaic of cross-phylum chemical interactions occurs between all metazoans and their microbiomes. A number of molecular families that are known to be produced by the microbiome have a marked effect on the balance between health and disease1–9. Considering the diversity of the human microbiome (which numbers over 40,000 operational taxonomic units10), the effect of the microbiome on the chemistry of an entire animal remains underexplored. Here we use mass spectrometry informatics and data visualization approaches11–13 to provide an assessment of the effects of the microbiome on the chemistry of an entire mammal by comparing metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice. We found that the microbiota affects the chemistry of all organs. This included the amino acid conjugations of host bile acids that were used to produce phenylalanocholic acid, tyrosocholic acid and leucocholic acid, which have not previously been characterized despite extensive research on bile-acid chemistry14. These bile-acid conjugates were also found in humans, and were enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis. These compounds agonized the farnesoid X receptor in vitro, and mice gavaged with the compounds showed reduced expression of bile-acid synthesis genes in vivo. Further studies are required to confirm whether these compounds have a physiological role in the host, and whether they contribute to gut diseases that are associated with microbiome dysbiosis. Metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice reveal effects of the microbiome on host chemistry, identifying conjugations of bile acids that are also enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis.

Sphingolipids are structural membrane components and important eukaryotic signaling molecules. Sphingolipids regulate inflammation and immunity and were recently identified as the most differentially abundant metabolite in stool from inflammatory bowel disease (IBD) patients. Commensal bacteria from the Bacteroidetes phylum also produce sphingolipids, but the impact of these metabolites on host pathways is largely uncharacterized. To determine whether bacterial sphingolipids modulate intestinal health, we colonized germ-free mice with a sphingolipid-deficient Bacteroides thetaiotaomicron strain. A lack of Bacteroides-derived sphingolipids resulted in intestinal inflammation and altered host ceramide pools in mice. Using lipidomic analysis, we described a sphingolipid biosynthesis pathway and revealed a variety of Bacteroides-derived sphingolipids including ceramide phosphoinositol and deoxy-sphingolipids. Annotating Bacteroides sphingolipids in an IBD metabolomic dataset revealed lower abundances in IBD and negative correlations with inflammation and host sphingolipid production. These data highlight the role of bacterial sphingolipids in maintaining homeostasis and symbiosis in the gut.

Diet, genetics, and the gut microbiome are determinants of metabolic status, in part through production of metabolites by the gut microbiota. To understand the mechanisms linking these factors, we performed LC-MS-based metabolomic analysis of cecal contents and plasma from C57BL/6J, 129S1/SvImJ, and 129S6/SvEvTac mice on chow or a high-fat diet (HFD) and HFD-treated with vancomycin or metronidazole. Prediction of the functional metagenome of gut bacteria by PICRUSt analysis of 16S sequences revealed dramatic differences in microbial metabolism. Cecal and plasma metabolites showed multifold differences reflecting the combined and integrated effects of diet, antibiotics, host background, and the gut microbiome. Eighteen plasma metabolites correlated positively or negatively with host insulin resistance across strains and diets. Over 1,000 still-unidentified metabolite peaks were also highly regulated by diet, antibiotics, and genetic background. Thus, diet, host genetics, and the gut microbiota interact to create distinct responses in plasma metabolites, which can contribute to regulation of metabolism and insulin resistance.