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.

Abstract Over the past decade, studies of the human genome and microbiome have deepened our understanding of the connections between human genes, environments, microbes, and disease. For example, the sheer number of indicators of the microbiome and human genetic common variants associated with disease has been immense, but clinical utility has been elusive. Here, we compared the predictive capabilities of the human microbiome versus human genomic common variants across 13 common diseases. We concluded that microbiomic indicators outperform human genetics in predicting host phenotype (overall Microbiome-Association-Study [MAS] area under the curve [AUC] = 0.79 [SE = 0.03], overall Genome-Wide-Association-Study [GWAS] AUC = 0.67 [SE = 0.02]). Our results, while preliminary and focused on a subset of the totality of disease, demonstrate the relative predictive ability of the microbiome, indicating that it may outperform human genetics in discriminating human disease cases and controls. They additionally motivate the need for population-level microbiome sequencing resources, akin to the UK Biobank, to further improve and reproduce metagenomic models of disease.

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.

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.

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

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 Cyanobacteria are photosynthetic organisms that play important roles in carbon cycling as well as promising bioproduction chassis. Here, we isolate two novel cyanobacteria, UTEX 3221 and UTEX 3222, from a unique marine environment with naturally elevated CO₂. We describe complete genome sequences for both isolates and, focusing on UTEX 3222 due to its planktonic growth in liquid, characterize biotechnologically-relevant growth and biomass characteristics. UTEX 3222 outpaces other fast-growing model strains on solid medium. It can double every 2.35 hours in a liquid medium and grows to high density (>31g/L biomass dry weight) in batch culture, nearly double that of Synechococcus sp. PCC 11901, whose high-density growth was recently reported. In addition, UTEX 3222 sinks readily, settling more quickly than other fast-growing strains, suggesting improved de-watering of UTEX 3222 biomass. This settling behavior can be explained in part by larger cell volume. These traits may make UTEX 3222 a compelling choice for photosynthetic bioproduction from CO₂. Overall, we find that bio-prospecting in environments with naturally elevated CO₂ may uncover novel CO₂-metabolizing organisms with unique characteristics.

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.