The gut microbiota plays an important role in human health by interacting with host diet, but there is substantial inter-individual variation in the response to diet. Here we compared the gut microbiota composition of healthy subjects who exhibited improved glucose metabolism following 3-day consumption of barley kernel-based bread (BKB) with those who responded least to this dietary intervention. The Prevotella/Bacteroides ratio was higher in responders than non-responders after BKB. Metagenomic analysis showed that the gut microbiota of responders was enriched in Prevotella copri and had increased potential to ferment complex polysaccharides after BKB. Finally, germ-free mice transplanted with microbiota from responder human donors exhibited improved glucose metabolism and increased abundance of Prevotella and liver glycogen content compared with germ-free mice that received non-responder microbiota. Our findings indicate that Prevotella plays a role in the BKB-induced improvement in glucose metabolism observed in certain individuals, potentially by promoting increased glycogen storage.

The distal human gut is a microbial bioreactor that digests complex carbohydrates. The strategies evolved by gut microbes to sense and process diverse glycans have important implications for the assembly and operation of this ecosystem. The human gut-derived bacterium Bacteroides thetaiotaomicron forages on both host and dietary glycans. Its ability to target these substrates resides in 88 polysaccharide utilization loci (PULs), encompassing 18% of its genome. Whole genome transcriptional profiling and genetic tests were used to define the mechanisms underlying host glycan foraging in vivo and in vitro. PULs that target all major classes of host glycans were identified. However, mucin O-glycans are the principal host substrate foraged in vivo. Simultaneous deletion of five genes encoding ECF-sigma transcription factors, which activate mucin O-glycan utilization, produces defects in bacterial persistence in the gut and in mother-to-offspring transmission. Thus, PUL-mediated glycan catabolism is an important component in gut colonization and may impact microbiota ecology.

Symbiotic bacteria inhabiting the human gut have evolved under intense pressure to utilize complex carbohydrates, primarily plant cell wall glycans in our diets. These polysaccharides are not digested by human enzymes, but are processed to absorbable short chain fatty acids by gut bacteria. The Bacteroidetes, one of two dominant bacterial phyla in the adult gut, possess broad glycan-degrading abilities. These species use a series of membrane protein complexes, termed Sus-like systems, for catabolism of many complex carbohydrates. However, the role of these systems in degrading the chemically diverse repertoire of plant cell wall glycans remains unknown. Here we show that two closely related human gut Bacteroides, B. thetaiotaomicron and B. ovatus, are capable of utilizing nearly all of the major plant and host glycans, including rhamnogalacturonan II, a highly complex polymer thought to be recalcitrant to microbial degradation. Transcriptional profiling and gene inactivation experiments revealed the identity and specificity of the polysaccharide utilization loci (PULs) that encode individual Sus-like systems that target various plant polysaccharides. Comparative genomic analysis indicated that B. ovatus possesses several unique PULs that enable degradation of hemicellulosic polysaccharides, a phenotype absent from B. thetaiotaomicron. In contrast, the B. thetaiotaomicron genome has been shaped by increased numbers of PULs involved in metabolism of host mucin O-glycans, a phenotype that is undetectable in B. ovatus. Binding studies of the purified sensor domains of PUL-associated hybrid two-component systems in conjunction with transcriptional analyses demonstrate that complex oligosaccharides provide the regulatory cues that induce PUL activation and that each PUL is highly specific for a defined cell wall polymer. These results provide a view of how these species have diverged into different carbohydrate niches by evolving genes that target unique suites of available polysaccharides, a theme that likely applies to disparate bacteria from the gut and other habitats.

Establishing an Enteric Infection Complex and highly regulated interactions are required to keep the peace between the bacteria that reside in our gut and the immune system. How do pathogenic bacteria, such as the strains of Escherichia coli that cause gastroenteritis, get a foothold to establish an infection, and what is the role of resident bacteria in this process? Kamada et al. (p. 1325 , published online 10 May; see the Perspective by Sperandio ) infected mice orally with Citrobacter rodentium and found that mice with normal commensal microflora, which were better able to contain the infection than mice that lacked the commensals, which were not able to clear the infection.

Many US immigrant populations develop metabolic diseases post immigration, but the causes are not well understood. Although the microbiome plays a role in metabolic disease, there have been no studies measuring the effects of US immigration on the gut microbiome. We collected stool, dietary recalls, and anthropometrics from 514 Hmong and Karen individuals living in Thailand and the United States, including first- and second-generation immigrants and 19 Karen individuals sampled before and after immigration, as well as from 36 US-born European American individuals. Using 16S and deep shotgun metagenomic DNA sequencing, we found that migration from a non-Western country to the United States is associated with immediate loss of gut microbiome diversity and function in which US-associated strains and functions displace native strains and functions. These effects increase with duration of US residence and are compounded by obesity and across generations.

The adult human intestine contains trillions of bacteria, representing hundreds of species and thousands of subspecies. Little is known about the selective pressures that have shaped and are shaping this community's component species, which are dominated by members of the Bacteroidetes and Firmicutes divisions. To examine how the intestinal environment affects microbial genome evolution, we have sequenced the genomes of two members of the normal distal human gut microbiota, Bacteroides vulgatus and Bacteroides distasonis, and by comparison with the few other sequenced gut and non-gut Bacteroidetes, analyzed their niche and habitat adaptations. The results show that lateral gene transfer, mobile elements, and gene amplification have played important roles in affecting the ability of gut-dwelling Bacteroidetes to vary their cell surface, sense their environment, and harvest nutrient resources present in the distal intestine. Our findings show that these processes have been a driving force in the adaptation of Bacteroidetes to the distal gut environment, and emphasize the importance of considering the evolution of humans from an additional perspective, namely the evolution of our microbiomes.

The metabolism of carbohydrate polymers drives microbial diversity in the human gut microbiota. It is unclear, however, whether bacterial consortia or single organisms are required to depolymerize highly complex glycans. Here we show that the gut bacterium Bacteroides thetaiotaomicron uses the most structurally complex glycan known: the plant pectic polysaccharide rhamnogalacturonan-II, cleaving all but 1 of its 21 distinct glycosidic linkages. The deconstruction of rhamnogalacturonan-II side chains and backbone are coordinated to overcome steric constraints, and the degradation involves previously undiscovered enzyme families and catalytic activities. The degradation system informs revision of the current structural model of rhamnogalacturonan-II and highlights how individual gut bacteria orchestrate manifold enzymes to metabolize the most challenging glycan in the human diet.

Newborns are colonized with an intestinal microbiota shortly after birth, but the factors governing the retention and abundance of specific microbial lineages are unknown. Nursing infants consume human milk oligosaccharides (HMOs) that pass undigested to the distal gut, where they may be digested by microbes. We determined that the prominent neonate gut residents, Bacteroides thetaiotaomicron and Bacteroides fragilis, induce the same genes during HMO consumption that are used to harvest host mucus glycans, which are structurally similar to HMOs. Lacto-N-neotetraose, a specific HMO component, selects for HMO-adapted species such as Bifidobacterium infantis, which cannot use mucus, and provides a selective advantage to B. infantis in vivo when biassociated with B. thetaiotaomicron in the gnotobiotic mouse gut. This indicates that the complex oligosaccharide mixture within HMOs attracts both mutualistic mucus-adapted species and HMO-adapted bifidobacteria to the infant intestine that likely facilitate both milk and future solid food digestion.

Yeasts, which have been a component of the human diet for at least 7,000 years, possess an elaborate cell wall α-mannan. The influence of yeast mannan on the ecology of the human microbiota is unknown. Here we show that yeast α-mannan is a viable food source for the Gram-negative bacterium Bacteroides thetaiotaomicron, a dominant member of the microbiota. Detailed biochemical analysis and targeted gene disruption studies support a model whereby limited cleavage of α-mannan on the surface generates large oligosaccharides that are subsequently depolymerized to mannose by the action of periplasmic enzymes. Co-culturing studies showed that metabolism of yeast mannan by B. thetaiotaomicron presents a ‘selfish’ model for the catabolism of this difficult to breakdown polysaccharide. Genomic comparison with B. thetaiotaomicron in conjunction with cell culture studies show that a cohort of highly successful members of the microbiota has evolved to consume sterically-restricted yeast glycans, an adaptation that may reflect the incorporation of eukaryotic microorganisms into the human diet. Mannan, a component of yeast cell walls, is shown to be a viable food source for Bacteroides thetaiotamicron, a dominant member of the gut microbiota, which catabolizes the mannan ‘selfishly’—countering the general assumption that multiple members of the gut microbiota take a role in, and benefit from, polysaccharide catabolism. Harry Gilbert and colleagues show that Bacteroides thetaiotaomicron, a dominant member of the human gut microbiota, can utilize α-mannose-containing complex carbohydrates derived from both host glycoproteins and yeast-derived dietary polysaccharides as a viable food source. The authors identify the genetic loci that encode the machinery that allows B. thetaiotamicron to metabolize α-mannan via large oligosaccharides that are subsequently depolymerized to mannose by the action of periplasmic enzymes. Co-culturing studies reveal a 'selfish' model for α-mannan catabolism, which runs counter to the general assumption that multiple members of the gut microbiota take a role in, and benefit from, polysaccharide catabolism. This study provides insight into how the evolution of glycan degradation in the human gut microbiota mirrors dietary changes during the course of human evolution, as yeast α-mannan has become a ubiquitous dietary component of our diet only since the acquisition of the modern human diet.