Consuming diets rich in plant versus animal products changes the microbes found in the human gut within days, with important implications for our health and evolution. Diet influences the structure and function of the gut microbiota in the long term, but it is not clear how rapidly the microbiota is affected by short-term dietary change. Peter Turnbaugh and colleagues studied the effect of transition to a diet consisting entirely of either animal products or plant products on the composition and function of the human gut microbiota. They find that the community changes rapidly, within a single day, overwhelming the pre-existing inter-individual differences in microbiota composition to recapitulate expected patterns of composition and metabolic function for carnivorous and herbivorous mammals. The animal-based diet was associated with higher levels of bile-tolerant microorganisms, including the bacterium Bilophila wadsworthia, which has previously been linked to inflammatory bowel disease. The authors also detected intact foodborne fungi, bacteria and viruses in the distal gut. Long-term dietary intake influences the structure and activity of the trillions of microorganisms residing in the human gut1,2,3,4,5, but it remains unclear how rapidly and reproducibly the human gut microbiome responds to short-term macronutrient change. Here we show that the short-term consumption of diets composed entirely of animal or plant products alters microbial community structure and overwhelms inter-individual differences in microbial gene expression. The animal-based diet increased the abundance of bile-tolerant microorganisms (Alistipes, Bilophila and Bacteroides) and decreased the levels of Firmicutes that metabolize dietary plant polysaccharides (Roseburia, Eubacterium rectale and Ruminococcus bromii). Microbial activity mirrored differences between herbivorous and carnivorous mammals2, reflecting trade-offs between carbohydrate and protein fermentation. Foodborne microbes from both diets transiently colonized the gut, including bacteria, fungi and even viruses. Finally, increases in the abundance and activity of Bilophila wadsworthia on the animal-based diet support a link between dietary fat, bile acids and the outgrowth of microorganisms capable of triggering inflammatory bowel disease6. In concert, these results demonstrate that the gut microbiome can rapidly respond to altered diet, potentially facilitating the diversity of human dietary lifestyles.

GNPS is an open-access community-curated analysis platform for sharing natural product mass spectrometry data that enables continuous, automatic reanalysis of deposited 'living' data sets. The potential of the diverse chemistries present in natural products (NP) for biotechnology and medicine remains untapped because NP databases are not searchable with raw data and the NP community has no way to share data other than in published papers. Although mass spectrometry (MS) techniques are well-suited to high-throughput characterization of NP, there is a pressing need for an infrastructure to enable sharing and curation of data. We present Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS; http://gnps.ucsd.edu ), an open-access knowledge base for community-wide organization and sharing of raw, processed or identified tandem mass (MS/MS) spectrometry data. In GNPS, crowdsourced curation of freely available community-wide reference MS libraries will underpin improved annotations. Data-driven social-networking should facilitate identification of spectra and foster collaborations. We also introduce the concept of 'living data' through continuous reanalysis of deposited data.

Tractable microbial communities are needed to bridge the gap between observations of patterns of microbial diversity and mechanisms that can explain these patterns. We developed cheese rinds as model microbial communities by characterizing in situ patterns of diversity and by developing an in vitro system for community reconstruction. Sequencing of 137 different rind communities across 10 countries revealed 24 widely distributed and culturable genera of bacteria and fungi as dominant community members. Reproducible community types formed independent of geographic location of production. Intensive temporal sampling demonstrated that assembly of these communities is highly reproducible. Patterns of community composition and succession observed in situ can be recapitulated in a simple in vitro system. Widespread positive and negative interactions were identified between bacterial and fungal community members. Cheese rind microbial communities represent an experimentally tractable system for defining mechanisms that influence microbial community assembly and function.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIyODM4MTA0NDQwMDg5NzUyZmMwNTVkOTc4MGRmN2I4YiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5Mzg3MDUxfQ.Igu3H3cgZ7rO3E4v-_v0H1uMRnhpdEX4bp1KyCM9dumvPM-gWng60KGsA6vzGPehO9zll0q0SufRxSM-Fkb7-0RcUDVuMUp0si67dEKACh9DIlH77r9bWMX-g80c9yt9Z5myMh6YAO3WHxDWHc4BiVUS62kmt9yIyHYmrGmINAY0zwBMsmmsXiePAT_JenXubaSFVc3H2sr-TIqk8InkjhlBm27oYyvk-QXkXkSzgHPZqYnjU1fYeCWkOjU6INpwg7N8f3woRiRyOJzTExFuWiZTKCFrgodPFIjKCxhJ5gydLzQ617YEmZXB3m03eOonuKpOxalicbicfQ8MYm0VNQ(mp4, (19.13 MB) Download video

Summary The human metabolome has remained largely unknown, with most studies annotating ∼10% of features. In nucleic acid sequencing, annotating transcripts by source has proven essential for understanding gene function. Here we generalize this concept to stool, plasma, urine and other human metabolomes, discovering that food-based annotations increase the interpreted fraction of molecular features 7-fold, providing a general framework for expanding the interpretability of human metabolomic “dark matter.”

ABSTRACT Non-pairwise interactions, or higher-order interactions (HOIs), in microbial communities have been claimed to explain the emergent features in microbiomes. Yet, the re-organization of microbial interactions between pairwise cultures and larger communities remains largely unexplored from a molecular perspective but is central to our understanding and further manipulation of microbial communities. Here, we used a bottom-up approach to investigate microbial interaction mechanisms from pairwise cultures up to 4-species communities from a simple microbiome ( Hafnia alvei, Geotrichum candidum, Pencillium camemberti and Escherichia coli ). Specifically, we characterized the interaction landscape for each species combination involving E. coli by identifying E. coli’s interaction-associated genes using an RB-TnSeq-based interaction assay. We observed a deep reorganization of the interaction-associated genes, with very few 2-species interactions conserved all the way up to a 4-species community and the emergence of multiple HOIs. We further used a quantitative genetics strategy to decipher how 2-species interactions were quantitatively conserved in higher community compositions. Epistasis-based analysis revealed that, of the interactions that are conserved at all levels of complexity, 82% follow an additive pattern. Altogether, we demonstrate the complex architecture of microbial interactions even within a simple microbiome, and provide a mechanistic and molecular explanation of HOIs.

Abstract Acquisition of genes through horizontal gene transfer (HGT) allows microbes to rapidly gain new capabilities and adapt to new or changing environments. Identifying widespread HGT regions within multispecies microbiomes can pinpoint the molecular mechanisms that play key roles in microbiome assembly. We sought to identify horizontally transferred genes within a model microbiome, the cheese rind. Comparing 31 newly-sequenced and 134 previously sequenced bacterial isolates from cheese rinds, we identified over 200 putative horizontally transferred genomic regions containing 4,733 protein coding genes. The largest of these regions are enriched for genes involved in siderophore acquisition, and are widely distributed in cheese rinds in both Europe and the US. These results suggest that horizontal gene transfer (HGT) is prevalent in cheese rind microbiomes, and the identification of genes that are frequently transferred in a particular environment may provide insight into the selective forces shaping microbial communities.

We recently discovered that some bacteriophages establish a nucleus-like replication compartment (phage nucleus), but the core genes that define nucleus-based phage replication and their phylogenetic distribution were unknown. By studying phages that encode the major phage nucleus protein chimallin, including previously sequenced yet uncharacterized phages, we discovered that chimallin-encoding phages share a set of 72 highly conserved genes encoded within seven distinct gene blocks. Of these, 21 core genes are unique to this group, and all but one of these unique genes encode proteins of unknown function. We propose that phages with this core genome comprise a novel viral family we term Chimalliviridae. Fluorescence microscopy and cryo-electron tomography studies of Erwinia phage vB_EamM_RAY confirm that many of the key steps of nucleus-based replication encoded in the core genome are conserved among diverse chimalliviruses, and reveal that non-core components can confer intriguing variations on this replication mechanism. For instance, unlike previously studied nucleus-forming phages, RAY doesn't degrade the host genome, and its PhuZ homolog appears to form a five-stranded filament with a lumen. This work expands our understanding of phage nucleus and PhuZ spindle diversity and function, providing a roadmap for identifying key mechanisms underlying nucleus-based phage replication.

Abstract Microbiomes are intricately intertwined with human health, geochemical cycles and food production. While many microbiomes of interest are highly complex and experimentally intractable, cheese rind microbiomes have proven powerful model systems for the study of microbial interactions. To provide a more comprehensive view of the genomic potential and temporal dynamics of cheese rind communities, we combine longitudinal, multi-platform metagenomics of three ripening washed-rind cheeses with whole genome sequencing of community isolates. Sequencing-based approaches revealed a highly reproducible microbial succession in each cheese, co-existence of closely related Psychrobacter species, and enabled the prediction of plasmid and phage diversity and their host associations. Combined with culture-based approaches, we established a genomic catalog and a paired 16-member in vitro washed rind cheese system. The combination of multi-platform metagenomic time-series data and an in vitro model provides a rich resource for further investigation of cheese rind microbiomes both computationally and experimentally. Importance Metagenome sequencing can provide great insights into microbiome composition and function and help researchers develop testable hypotheses. Model microbiomes, such as those composed of cheese rind bacteria and fungi, then allow the testing of these hypotheses in a controlled manner. Here, we first generate an extensive longitudinal metagenomic dataset. This dataset reveals successional dynamics, yields a phyla-spanning bacterial genomic catalog, associates mobile genetic elements with their hosts and provides insights into functional enrichment of Psychrobacter in the cheese environment. Next, we show that members of the washed-rind cheese microbiome lend themselves to in vitro community reconstruction. This paired metagenomic data and in vitro system can thus be used as a platform for generating and testing hypotheses related to the dynamics within, and functions associated with, cheese rind microbiomes.

Microbial interactions are major determinants in shaping microbiome structure and function. Although fungi are found across diverse microbiomes, the mechanisms through which fungi interact with other species remain largely uncharacterized. In this work, we explore the diversity of ways in which fungi can impact bacteria by characterizing interaction mechanisms across 16 different bacterial-fungal pairs, involving 8 different fungi and 2 bacteria ( Escherichia coli and Pseudomonas psychrophila ). Using random barcode transposon-site sequencing (RB-TnSeq), we identified a large number of bacterial genes and pathways important in fungal interaction contexts. Within each interaction, fungal partners elicit both antagonistic and beneficial effects. Using a panel of phylogenetically diverse fungi allowed us to identify interactions that were conserved across all species. Our data show that all fungi modulate the availability of iron and biotin, suggesting that these may represent conserved bacterial-fungal interactions. Several fungi also appear to produce previously uncharacterized antibiotic compounds. Generating a mutant in a master regulator of fungal secondary metabolite production showed that fungal metabolites are key shapers of bacterial fitness profiles during interactions. This work demonstrates a diversity of mechanisms through which fungi are able to interact with bacterial species. In addition to many species-specific effects, there appear to be conserved interaction mechanisms which may be important across microbiomes.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Diverse populations of bacteriophages infect and co-evolve with their bacterial hosts. Although host recognition and infection occurs within microbiomes, the molecular mechanisms underlying host-phage interactions within a community context remain poorly studied. The biofilms (rinds) of aged cheeses contain taxonomically diverse microbial communities that follow reproducible growth patterns and can be manipulated under laboratory conditions. In this study, we use cheese as a model for studying phage-microbe interactions by identifying and characterizing a tractable host-phage pair co-occurring within a model Brie community. We isolated novel bacteriophage TS33 that kills Hafnia sp. JB232 (hereafter Hafnia), a member of the model community. TS33 is easily propagated in the lab and naturally co-occurs in the cheese with the Brie community, rendering it a prime candidate for the study of host-phage interactions. We performed growth assays of the Hafnia, TS33 and the fungal community members, Geotrichum candidum and Penicillium camemberti. Employing Random Barcode Transposon Sequencing (RB-TnSeq) experiments, we identified candidate host factors that contribute to TS33 infectivity, many of which are critical to the integrity of bacterial O-antigen. Notably, disruption of these genes results in decreased susceptibility to infection by phage TS33, while simultaneously exhibiting a significant negative effect on the fitness of Hafnia in the presence of the fungi. Therefore, O-antigen mutations may have pleiotropic effects on the interactions between Hafnia and the rest of the Brie community. Ongoing and future studies aim to unearth the molecular mechanisms by which the O-antigen of Hafnia mediates its interactions with its viral and fungal partners.