Opioid drugs act on specific receptors to modulate physiological functions. There are at least three types of opioid receptors, mu (μ), delta (δ), and kappa (κ). Using a cDNA probe for a mouse δ opioid receptor in low stringency hybridization, a clone was isolated from a rat brain cDNA library. It contains an open reading frame for a deduced polypeptide of 398 amino acids. Hydropathy analysis of the deduced protein exhibits seven hydrophobic domains typical of G protein-coupled receptors. This protein, termed MOR-1, shows high homologies (60-65%) at the amino acid sequence level with the published mouse δ opioid receptor and a rat brain κ opioid receptor (Chen, Yu, et al., unpublished data)

The quest to manipulate microbiomes has intensified, but many microbial communities have proven recalcitrant to sustained change. Developing model communities amenable to genetic dissection will underpin successful strategies for shaping microbiomes by advancing understanding of community interactions. We developed a model community with representatives from three dominant rhizosphere taxa: the Firmicutes, Proteobacteria, and Bacteroidetes. We chose Bacillus cereus as a model rhizosphere Firmicute and characterized twenty other candidates, including hitchhikers that co-isolated with B. cereus from the rhizosphere. Pairwise analysis produced a hierarchical interstrain-competition network. We chose two hitchhikers - Pseudomonas koreensis from the top tier of the competition network and Flavobacterium johnsoniae from the bottom of the network to represent the Proteobacteria and Bacteroidetes, respectively. The model community has several emergent properties - induction of dendritic expansion of B. cereus colonies by either of the other members and production of more robust biofilms by the three members together than individually. Moreover, P. koreensis produces a novel family of alkaloid antibiotics that inhibit growth of F. johnsoniae, and production is inhibited by B. cereus. We designate this community THOR, because the members are the hitchhikers of the rhizosphere. The genetic, genomic, and biochemical tools available for dissection of THOR provide the means to achieve a new level of understanding of microbial community behavior.

ABSTRACT Flavobacterium johnsoniae is a ubiquitous soil and rhizosphere bacterium, but despite its abundance, the factors contributing to its success in communities are poorly understood. Using a model microbial community, T he H itchhikers O f the Rhizosphere (THOR), we determined the effects of colonization on fitness of F. johnsoniae in the community. Insertion sequencing (INSeq), a massively parallel transposon mutant screen, on sterile sand identified 25 genes likely to be important for surface colonization. We constructed in-frame deletions of nine candidate genes predicted to be involved in cell membrane biogenesis, motility, signal transduction, and transport of amino acids and lipids. All mutants poorly colonized sand, glass, and polystyrene and produced less biofilm than the wild type, indicating the importance of the targeted genes in surface colonization. Eight of the nine colonization-defective mutants were also unable to form motile biofilms, or zorbs, thereby suggesting that the affected genes play a role in group movement and linking stationary and motile biofilm formation genetically. Furthermore, we showed that deletion of colonization genes in F. johnsoniae affected its behavior and survival in THOR on surfaces, suggesting that the same traits are required for success in a multispecies microbial community. Our results provide insight into the mechanisms of surface colonization by F. johnsoniae and form the basis for further understanding its ecology in the rhizosphere. IMPORTANCE Microbial communities direct key environmental processes through multispecies interactions. Understanding these interactions is vital for manipulating microbiomes to promote health in human, environmental, and agricultural systems. However, microbiome complexity can hinder our understanding of the underlying mechanisms in microbial community interactions. As a first step towards unraveling these interactions, we explored the role of surface colonization in microbial community interactions using THOR, a genetically tractable model community of three bacterial species, Flavobacterium johnsoniae , Pseudomonas koreensis, and Bacillus cereus. We identified F. johnsoniae genes important for surface colonization in solitary conditions and in the THOR community. Understanding the mechanisms that promote success of bacteria in microbial communities brings us closer to targeted manipulations to achieve outcomes that benefit agriculture, the environment, and human health.

Abstract Biofilms are three-dimensional structures containing one or more bacterial species embedded in extracellular polymeric substances. Although most biofilms are stationary, Flavobacterium johnsoniae forms a motile spherical biofilm called a zorb, which is propelled by its base cells and contains a polysaccharide core. Here, we report formation of spatially organized, motile, multispecies biofilms, designated “co-zorbs,” that are distinguished by a core-shell structure. F. johnsoniae forms zorbs whose cells collect other bacterial species and transport them to the zorb core, forming a co-zorb. Live imaging revealed that co-zorbs also form in zebrafish, thereby demonstrating a new type of bacterial movement in vivo. This discovery opens new avenues for understanding community behaviors, the role of biofilms in bulk bacterial transport, and collective strategies for microbial success in various environments. Significance Statement This paper reports the discovery of co-zorbs, which are spherical aggregates of bacteria that move and transport other bacteria. Zorbs move toward other bacteria and collect them in a manner reminiscent of phagocytes. Once inside the zorb, the new species form a striking, organized core. The discovery of co-zorbs introduces an entirely new type of bacterial movement and transport involving cooperation among bacterial species. Co-zorbs have potential for engineering microbial systems for biotechnology applications and for managing spread of bacterial pathogens in their hosts.

Abstract Multispecies microbial communities drive most ecosystems on Earth. Chemical and biological interactions within these communities can affect survival of individual members and the entire community. However, the prohibitively high number of possible interactions within a microbial community has made the characterization of factors that influence community development challenging. Here we report a Microbial Community Interaction (μCI) device to advance the systematic study of chemical and biological interactions within a microbial community. The μCI creates a combinatorial landscape made up of an array of triangular wells interconnected with circular wells, which each contains either a different chemical or microbial strain, generating chemical gradients and revealing biological interactions. Bacillus cereus UW85 containing GFP provided the “target” readout in the triangular wells, and antibiotics or microorganisms in adjacent circular wells are designated the “variables”. The μCI device revealed that gentamicin and vancomycin are antagonistic to each other in inhibiting the target B. cereus UW85, displaying weaker inhibitory activity when used in combination than alone. We identified three-member communities constructed with isolates from the plant rhizosphere that increased or decreased growth of B. cereus . The μCI device enables both strain-level and community-level insight. The scalable geometric design of the μCI device enables experiments with high combinatorial efficiency, thereby providing a simple, scalable platform for systematic interrogation of three-factor interactions that influence microorganisms in solitary or community life.

To identify factors that regulate gut microbiota density and the impact of varied microbiota density on health, we assayed this fundamental ecosystem property in fecal samples across mammals, human disease, and therapeutic interventions. Physiologic features of the host (carrying capacity) and the fitness of the gut microbiota shape microbiota density. Therapeutic manipulation of microbiota density in mice altered host metabolic and immune homeostasis. In humans, gut microbiota density was reduced in Crohn's disease, ulcerative colitis, and ileal pouch-anal anastomosis. The gut microbiota in recurrent Clostridium difficile infection had lower density and reduced fitness that were restored by fecal microbiota transplantation. Understanding the interplay between microbiota and disease in terms of microbiota density, host carrying capacity, and microbiota fitness provide new insights into microbiome structure and microbiome targeted therapeutics.