The study of microbial communities has been revolutionised in recent years by the widespread adoption of culture independent analytical techniques such as 16S rRNA gene sequencing and metagenomics. One potential confounder of these sequence-based approaches is the presence of contamination in DNA extraction kits and other laboratory reagents. In this study we demonstrate that contaminating DNA is ubiquitous in commonly used DNA extraction kits, varies greatly in composition between different kits and kit batches, and that this contamination critically impacts results obtained from samples containing a low microbial biomass. Contamination impacts both PCR-based 16S rRNA gene surveys and shotgun metagenomics. These results suggest that caution should be advised when applying sequence-based techniques to the study of microbiota present in low biomass environments. We provide an extensive list of potential contaminating genera, and guidelines on how to mitigate the effects of contamination. Concurrent sequencing of negative control samples is strongly advised.

Bronchiectasis is accompanied by chronic bronchial infection that may drive disease progression. However, the evidence base for antibiotic therapy is limited. DNA based methods offer better identification and quantification of microbial constituents of sputum than standard clinical culture and may help inform patient management strategies. Our study objective was to determine the longitudinal variability of the non-CF bronchiectasis microbiome in sputum with respect to clinical variables. Eighty-five patients with non-cystic fibrosis (CF) bronchiectasis and daily sputum production were recruited from outpatient clinics and followed for six months. Monthly sputum samples and clinical measurements were taken, together with additional samples during exacerbations. 16S rRNA gene sequencing of the sputum microbiota was successful for 381 samples from 76 patients and analysed in conjunction with clinical data. Microbial communities were highly individual in composition and stability, usually with limited diversity and often containing multiple pathogens. When compared to DNA sequencing, microbial culture had restricted sensitivity in identifying common pathogens. With some exceptions, community characteristics showed poor correlations with clinical features including underlying disease, antibiotic use and exacerbations. The use of microbial community analysis of sputum added to information from microbial culture. A simple model of exacerbations driven by bacterial overgrowth was not supported, suggesting a need for revision of principles for antibiotic therapy. In individual patients, the management of chronic bronchial infection may be improved by therapy specific to their microbiome, taking into account pathogen load, community stability, and acute and chronic community responses to antibiotics.

Abstract Background Cystic fibrosis (CF) and non-CF bronchiectasis (BX) are characterised by severe chronic infections. Fungal and bacterial components of infection are both recognized. Little however is known about how fungal and bacterial organisms interact and whether these interactions impact on disease outcomes. Methods Quantitative PCR and next-generation sequencing of ITS2 and 16S rRNA gene was carried out on 107 patients with CF or BX with clinically defined fungal infection status for all patients. The relationship between fungal and bacterial community composition was extensively explored using: random forest modelling, correlation network analysis, multi-omics factor analysis, and sample-wise clustering, to understand associations both within and between the microbial communities and their relationship to respiratory disease. Results Random forest modelling demonstrated distinct fungal and bacterial communities within CF and BX patients. The inclusion of both kingdoms in the models did not improve discrimination between the two diseases. Within the CF patients, bacterial community composition was independent of clinical fungal disease status. Bacterial and fungal communities did not relate to the presence of CF pulmonary exacerbations (CFPE). Correlation network analysis found intra-kingdom interactions were predominant in the data. Multi-omics factor analysis (MOFA) revealed latent factors corresponding to single kingdoms. Thus, in the bacterial community we identified two distinct clusters characterised by the presence or absence of Pseudomonas -domination. This was independent of fungal community which was characterised by a second set of independent clusters dominated by Saccharomycetes . Conclusions In this study we were unable to detect clear evidence of clinically significant inter-kingdom interactions between the bacterial and fungal communities. While further work is required to fully understand microbial interaction within the lung, our data suggests that interkingdom interactions may not be the primary driver of patient outcomes, particularly in the context of fungal infection.

S ummary paragraph Lung diseases due to infection and dysbiosis affect hundreds of millions of people world-wide 1-4 . Microbial communities at the airway mucosal barrier are conserved and highly ordered 5 , reflecting symbiosis and co-evolution with human host factors 6 . Freed of selection to digest nutrients for the host, the airway microbiome underpins cognate management of mucosal immunity and pathogen resistance. We show here the results of the first systematic culture and whole-genome sequencing of the principal airway bacterial species, identifying abundant novel organisms within the genera Streptococcus, Pauljensenia, Neisseria and Gemella . Bacterial genomes were enriched for genes encoding antimicrobial synthesis, adhesion and biofilm formation, immune modulation, iron utilisation, nitrous oxide (NO) metabolism and sphingolipid signalling. RNA-targeting CRISPR elements in some taxa suggest the potential to prevent or treat specific viral infections. Homologues of human RO60 present in Neisseria spp. provide a possible respiratory primer for autoimmunity in systemic lupus erythematosus (SLE) and Sjögren syndrome. We interpret the structure and biogeography of airway microbial communities from clinical surveys in the context of whole-genome content, identifying features of airway dysbiosis that may presage breakdown of homeostasis during acute attacks of asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). We match the gene content of isolates to human transcripts and metabolites expressed late in airway epithelial differentiation, identifying pathways that can sustain host interactions with the microbiota. Our results provide a systematic basis for decrypting interactions between commensals, pathogens, and mucosal immunity in lung diseases of global significance.

Background Normal airway microbial communities play a central role in respiratory health but are poorly characterized. Cigarette smoking is the dominant global environmental influence on lung function, and asthma has become the most prevalent chronic respiratory disease worldwide. Both conditions have major microbial components that are also poorly defined.Methods We investigated airway bacterial communities in a general population sample of 529 Australian adults. Posterior oropharyngeal swabs were analysed by sequencing of the 16S rRNA and methionine aminopeptidase genes. The microbiota were characterised according to their prevalence, abundance, and network memberships.Findings Microbial communities were similar across the population and were strongly organized into co-abundance networks. Smoking associated with diversity loss, negative effects on abundant taxa, profound alterations to network structure and expansion of Streptococcus spp. By contrast, the asthmatic microbiota were selectively affected by an increase in Neisseria spp. and by reduced numbers of low abundance but prevalent organisms.Interpretation Our study shows healthy airway microbiota are contained within a highly structured ecosystem, indicating balanced relationships between the microbiome and human host factors. The marked abnormalities in smokers may be pathogenic for chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and lung cancer. The narrow spectrum of abnormalities in asthmatics encourages investigation of damaging and protective effects of specific bacteria.Funding The study was funded by the Asmarley Trust and a Wellcome Senior Investigator Award to WOCC and MFM (P46009). The Busselton Healthy Ageing Study is supported by the Government of Western Australia (Office of Science, Department of Health) the City of Busselton, and private donations.