The development of efficient and inexpensive genome sequencing methods has revolutionized the study of human bacterial pathogens and improved vaccine design. Unfortunately, the sequence of a single genome does not reflect how genetic variability drives pathogenesis within a bacterial species and also limits genome-wide screens for vaccine candidates or for antimicrobial targets. We have generated the genomic sequence of six strains representing the five major disease-causing serotypes of Streptococcus agalactiae , the main cause of neonatal infection in humans. Analysis of these genomes and those available in databases showed that the S. agalactiae species can be described by a pan-genome consisting of a core genome shared by all isolates, accounting for ≈80% of any single genome, plus a dispensable genome consisting of partially shared and strain-specific genes. Mathematical extrapolation of the data suggests that the gene reservoir available for inclusion in the S. agalactiae pan-genome is vast and that unique genes will continue to be identified even after sequencing hundreds of genomes.

A large-scale molecular dynamics simulation is performed on a glass-forming Lennard-Jones mixture to determine the nature of dynamical heterogeneities which arise in this model fragile liquid. We observe that the most mobile particles exhibit a cooperative motion in the form of string-like paths (``strings'') whose mean length and radius of gyration increase as the liquid is cooled. The length distribution of the strings is found to be similar to that expected for the equilibrium polymerization of linear polymer chains.

Autism spectrum disorders (ASDs) are neurodevelopmental conditions characterized by social and behavioural impairments. In addition to neurological symptoms, ASD subjects frequently suffer from gastrointestinal abnormalities, thus implying a role of the gut microbiota in ASD gastrointestinal pathophysiology. Here, we characterized the bacterial and fungal gut microbiota in a cohort of autistic individuals demonstrating the presence of an altered microbial community structure. A fraction of 90% of the autistic subjects were classified as severe ASDs. We found a significant increase in the Firmicutes/Bacteroidetes ratio in autistic subjects due to a reduction of the Bacteroidetes relative abundance. At the genus level, we observed a decrease in the relative abundance of Alistipes, Bilophila, Dialister, Parabacteroides, and Veillonella in the ASD cohort, while Collinsella, Corynebacterium, Dorea, and Lactobacillus were significantly increased. Constipation has been then associated with different bacterial patterns in autistic and neurotypical subjects, with constipated autistic individuals characterized by high levels of bacterial taxa belonging to Escherichia/Shigella and Clostridium cluster XVIII. We also observed that the relative abundance of the fungal genus Candida was more than double in the autistic than neurotypical subjects, yet due to a larger dispersion of values, this difference was only partially significant. The finding that, besides the bacterial gut microbiota, also the gut mycobiota contributes to the alteration of the intestinal microbial community structure in ASDs opens the possibility for new potential intervention strategies aimed at the relief of gastrointestinal symptoms in ASDs.

Using extensive molecular dynamics simulations of an equilibrium, glass-forming Lennard-Jones mixture, we characterize in detail the local atomic motions. We show that spatial correlations exist among particles undergoing extremely large ("mobile") or extremely small ("immobile") displacements over a suitably chosen time interval. The immobile particles form the cores of relatively compact clusters, while the mobile particles move cooperatively and form quasi-one-dimensional, stringlike clusters. The strength and length scale of the correlations between mobile particles are found to grow strongly with decreasing temperature, and the mean cluster size appears to diverge near the mode-coupling critical temperature. We show that these correlations in the particle displacements are related to equilibrium fluctuations in the local potential energy and local composition.

Streptococcus pneumoniae is one of the most important causes of microbial diseases in humans. The genomes of 44 diverse strains of S. pneumoniae were analyzed and compared with strains of non-pathogenic streptococci of the Mitis group. Despite evidence of extensive recombination, the S. pneumoniae phylogenetic tree revealed six major lineages. With the exception of serotype 1, the tree correlated poorly with capsular serotype, geographical site of isolation and disease outcome. The distribution of dispensable genes - genes present in more than one strain but not in all strains - was consistent with phylogeny, although horizontal gene transfer events attenuated this correlation in the case of ancient lineages. Homologous recombination, involving short stretches of DNA, was the dominant evolutionary process of the core genome of S. pneumoniae. Genetic exchange occurred both within and across the borders of the species, and S. mitis was the main reservoir of genetic diversity of S. pneumoniae. The pan-genome size of S. pneumoniae increased logarithmically with the number of strains and linearly with the number of polymorphic sites of the sampled genomes, suggesting that acquired genes accumulate proportionately to the age of clones. Most genes associated with pathogenicity were shared by all S. pneumoniae strains, but were also present in S. mitis, S. oralis and S. infantis, indicating that these genes are not sufficient to determine virulence. Genetic exchange with related species sharing the same ecological niche is the main mechanism of evolution of S. pneumoniae. The open pan-genome guarantees the species a quick and economical response to diverse environments.

Abstract The introduction of high throughput sequencing technologies has triggered an increase of the number of studies in which the microbiota of environmental and human samples is characterized through the sequencing of selected marker genes. While experimental protocols have undergone a process of standardization that makes them accessible to a large community of scientist, standard and robust data analysis pipelines are still lacking. Here we introduce MICCA, a software pipeline for the processing of amplicon metagenomic datasets that efficiently combines quality filtering, clustering of Operational Taxonomic Units (OTUs), taxonomy assignment and phylogenetic tree inference. MICCA provides accurate results reaching a good compromise among modularity and usability. Moreover, we introduce a de-novo clustering algorithm specifically designed for the inference of Operational Taxonomic Units (OTUs). Tests on real and synthetic datasets shows that thanks to the optimized reads filtering process and to the new clustering algorithm, MICCA provides estimates of the number of OTUs and of other common ecological indices that are more accurate and robust than currently available pipelines. Analysis of public metagenomic datasets shows that the higher consistency of results improves our understanding of the structure of environmental and human associated microbial communities. MICCA is an open source project.

Abstract The expansion of agriculture is shrinking pristine forest areas worldwide, jeopardizing the persistence of their wild inhabitants. The Udzungwa red colobus monkey ( Procolobus gordonorum ) is among the most threatened primate species in Africa. Primarily arboreal and highly sensitive to hunting and habitat destruction, they provide a critical model to understanding whether anthropogenic disturbance impacts gut microbiota diversity. We sampled seven social groups inhabiting two forests (disturbed vs. undisturbed) in the Udzungwa Mountains of Tanzania. While Ruminococcaceae and Lachnospiraceae dominated in all individuals, reflecting their role in extracting energy from folivorous diets, analysis of genus composition showed a marked diversification across habitats, with gut microbiota α-diversity significantly higher in the undisturbed forest. Functional analysis suggests that such variation may be associated with food plant diversity in natural versus human-modified habitats, requiring metabolic pathways to digest xenobiotics. Thus, the effects of changes in gut microbiota should not be ignored to conserve endangered populations.

The fungal component of the human gut microbiota has been neglected for long time due to the low relative abundance of fungi with respect to bacteria, and only recently few reports have explored its composition and dynamics in health or disease. The application of metagenomics methods to the full understanding of fungal communities is currently limited by the under representation of fungal DNA with respect to the bacterial one, as well as by the limited ability to discriminate passengers from colonizers. Here, we investigated the gut mycobiota of a cohort of healthy subjects in order to reduce the gap of knowledge concerning fungal intestinal communities in the healthy status further screening for phenotypical traits that could reflect fungi adaptation to the host. We studied the fecal fungal populations of 111 healthy subjects by means of cultivation on fungal selective media and by amplicon-based ITS1 metagenomics analysis on a subset of 57 individuals. We then characterized the isolated fungi for their tolerance to gastrointestinal (GI) tract-like challenges and their susceptibility to antifungals. A total of 34 different fungal species were isolated showing several phenotypic characteristics associated with intestinal environment such as tolerance to body temperature (37°C), to acidic and oxidative stress, and to bile salts exposure. We found a high frequency of azoles resistance in fungal isolates, with potential and significant clinical impact. Analyses of fungal communities revealed that the human gut mycobiota differs in function of individuals' life stage in a gender-related fashion. The combination of metagenomics and fungal cultivation allowed an in-depth understanding of the fungal intestinal community structure associated to the healthy status and the commensalism-related traits of isolated fungi. We further discussed comparatively the results of sequencing and cultivation to critically evaluate the application of metagenomics-based approaches to fungal gut populations.

Abstract Background Endolithic niches offer an ultimate refuge, supplying buffered conditions for microorganisms that dwell inside rock airspaces. Yet, survival and growth strategies of Antarctic endolithic microbes residing in Earths’ driest and coldest desert remains virtually unknown. Results From 109 endolithic microbiomes, 4,539 metagenome-assembled genomes were generated, 49.3% of which were novel candidate bacterial species. We present evidence that trace gas oxidation and atmospheric chemosynthesis may be the prevalent strategies supporting metabolic activity and persistence of these ecosystems at the fringe of life and the limits of habitability. Conclusions These results represent the foundation to untangle adaptability at the edge of sustainability on Earth and on other dry Earth-like planetary bodies such as Mars.