Abstract Almost all animals and plants are inhabited by diverse communities of microorganisms, the microbiota, thereby forming an integrated entity, the metaorganism. Natural selection should favor hosts that shape the community composition of these microbes to promote a beneficial host-microbe symbiosis. Indeed, animal hosts often pose selective environments, which only a subset of the environmentally available microbes are able to colonize. How these microbes assemble after colonization to form the complex microbiota is less clear. Neutral models are based on the assumption that the alternatives in microbiota community composition are selectively equivalent and thus entirely shaped by random population dynamics and dispersal. Here, we use the neutral model as a null hypothesis to assess microbiata composition in host organisms, which does not rely on invoking any adaptive processes underlying microbial community assembly. We show that the overall microbiota community structure from a wide range of host organisms, in particular including previously understudied invertebrates, is in many cases consistent with neutral expectations. Our approach allows to identify individual microbes that are deviating from the neutral expectation and which are therefore interesting candidates for further study. Moreover, using simulated communities we demonstrate that transient community states may play a role in the deviations from the neutral expectation. Our findings highlight that the consideration of neutral processes and temporal changes in community composition are critical for an in-depth understanding of microbiota-host interactions.

Metabolic byproducts of the intestinal microbiota are crucial in maintaining host immune tone and shaping inter-species ecological dynamics. Among these metabolites, succinate is a driver of tuft cell (TC) differentiation and consequent type 2 immunity-dependent protection against invading parasites in the small intestine. Succinate is also a growth enhancer of the nosocomial pathogen Clostridioides difficile in the large intestine. To date, no research has shown the role of succinate in modulating TC dynamics in the large intestine, or the relevance of this immune pathway to C. difficile pathophysiology. Here we reveal the existence of a three-way circuit between commensal microbes, C. difficile and host epithelial cells which centers around succinate. Through selective microbiota depletion experiments we demonstrate higher levels of type 2 cytokines leading to expansion of TCs in the colon. We then demonstrate the causal role of the microbiome in modulating colonic TC abundance and subsequent type 2 cytokine induction using rational supplementation experiments with fecal transplants and microbial consortia of succinate-producing bacteria. We show that administration of a succinate-deficient Bacteroides thetaiotaomicron knockout (Δfrd) significantly reduces the enhanced type 2 immunity in mono-colonized mice. Finally, we demonstrate that mice prophylactically administered with the consortium of succinate-producing bacteria show reduced C. difficile-induced morbidity and mortality compared to mice administered with heat-killed bacteria or the vehicle. This effect is reduced in a partial tuft cell knockout mouse, Pou2f3+/-, and nullified in the tuft cell knockout mouse, Pou2f3-/-, confirming that the observed protection occurs via the TC pathway. Succinate is an intermediary metabolite of the production of short-chain fatty acids, and its concentration often increases during dysbiosis. The first barrier to enteric pathogens alike is the intestinal epithelial barrier, and host maintenance and strengthening of barrier integrity is vital to homeostasis. Considering our data, we propose that activation of TC by the microbiota-produced succinate in the colon is a mechanism evolved by the host to counterbalance microbiome-derived cues that facilitate invasion by intestinal pathogens.

Abstract Interspecies interactions involving direct competition via bacteriocin production play a vital role in shaping ecological dynamics within microbial ecosystems. For instance, the ribosomally-produced siderophore bacteriocins, known as class IIb microcins, have been observed to affect the colonization of pathogenic Enterobacteriaceae species within hosts. Notably, to date, only five of these antimicrobials have been identified and all were derived from specific Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae strains. We hypothesized that class IIb microcin production extends beyond these specific compounds and organisms. By employing an informatics-driven approach, screening bacterial genomes in publicly accessible databases, we have discovered a total of twelve previously unknown class IIb microcins. Our investigation unveiled that these microcins are harbored within a diverse array of Enterobacteriaceae species, encompassing phytopathogens and environmental isolates. We introduce three novel clades of microcins (MccW, MccX, and MccZ), while also identifying eight new variants of the five previously known ones. To validate their antimicrobial potential, we heterologously expressed these microcins, along with their immunity peptides, in E. coli and unequivocally demonstrated their efficacy against a variety of bacterial isolates, including plant pathogens like Gibbsiella species and Rahnella victoriana . Remarkably, two of these newly discovered class IIb microcins exhibit activity against gram-negative ESKAPE pathogens, such as Acinetobacter baumannii or Pseudomonas aeruginosa providing the first evidence that class IIb microcins can target bacteria outside of the Enterobacteriaceae family. Our findings hold significant promise for the development of innovative live biotherapeutic products tailored to combat these resilient bacteria and underscore the notion that class IIb microcins are more prevalent and more broad-spectrum in the natural microbial world than previously recognized.

Abstract Diets that restrict caloric or protein intake offer a variety of benefits, including decreasing the incidence of cancer. However, whether such diets pose a substantial therapeutic benefit as auxiliary cancer treatments remains unclear. We determined the effects of severe protein depletion on tumorigenesis in a Drosophila melanogaster intestinal tumor model, using a human RAF gain-of-function allele. Severe and continuous protein restriction significantly reduced tumor growth but resulted in premature death. Therefore, we developed a diet in which short periods of severe protein restriction alternated cyclically with periods of complete feeding. This nutritional regime reduced tumor mass, restored gut functionality, and normalized the lifespan of oncogene-expressing flies to the levels observed in healthy control flies. Furthermore, this diet reduced the chemotherapy-induced stem cell activity associated with tumor recurrence. Transcriptome analysis revealed long-lasting changes in the expression of key genes involved in multiple major developmental signaling pathways. Overall, the data suggest that recurrent severe protein depletion effectively mimics the health benefits of continuous protein restriction, without undesired nutritional shortcomings. This provides seminal insights into the mechanisms of the transcriptomic memory effect required to maintain the positive effects of protein restriction throughout the phases of a full diet.

Abstract Cranberry consumption has numerous health benefits, with experimental reports showing its anti-inflammatory and anti-tumor properties. Importantly, microbiome research has demonstrated that the gastrointestinal bacterial community modulates host immunity, raising the question whether the cranberry-derived effect may be related to its ability to modulate the microbiome. Only a few studies have investigated the effect of cranberry products on the microbiome to date. Especially because cranberry is rich in dietary fibers, we do not know the extent of microbiome modulation that is caused solely by polyphenols, particularly proanthocyanidins (PACs). Since previous work has only focused on the long-term effects of cranberry extracts, in this study we investigated the effect of a water-soluble, polyphenol-rich cranberry juice extract (CJE) on the short-term dynamics of human-derived bacterial community in a gnotobiotic mouse model. CJE characterization revealed a high enrichment in PACs (57% PACs), the highest ever utilized in a microbiome study. In a 37-day experiment with a 10-day CJE intervention and 14-day recovery time, we profiled the microbiota via 16 rDNA sequencing and applied diverse time-series analytics methods to identify individual bacterial responses. We show that daily administration of CJE induces distinct dynamical patterns in bacterial abundances during and after treatment before recovering resiliently to pre-treatment levels. Specifically, we observed an increase of the immunomodulatory mucin degrading Akkermansia muciniphila after treatment, suggesting intestinal mucus accumulation due to CJE. Interestingly, this expansion coincided with an increase in the abundance of butyrate-producing Clostridia, a group of microbes known to promote numerous adaptive and innate anti-inflammatory phenotypes.

Abstract Background The gastrointestinal (GI) tract is the reservoir for multidrug-resistant (MDR) pathogens, specifically carbapenem-resistant (CR) Klebsiella pneumoniae and other Enterobacteriaceae , which often lead to the spread of antimicrobial resistance genes, severe extraintestinal infections, and lethal outcomes. Selective GI decolonization has been proposed as a new strategy for preventing transmission to other body sites and minimizing spreading to susceptible individuals. Results Here, we purify the to-date uncharacterized class IIb microcin I47 (MccI47) and demonstrate potent inhibition of numerous Enterobacteriaceae , including multidrug-resistant clinical isolates, in vitro at concentrations resembling those of commonly prescribed antibiotics. We then genetically modify the probiotic bacterium Escherichia coli Nissle 1917 ( EcN ) to produce MccI47 from a stable multicopy plasmid by using MccI47 toxin production in a counterselection mechanism to engineer one of the native EcN plasmids, which renders provisions for inducible expression and plasmid selection unnecessary. We then test the clinical relevance of the MccI47-producing engineered EcN in a murine CR K. pneumoniae colonization model and demonstrate significant MccI47-dependent reduction of CR K. pneumoniae abundance after seven days of daily oral live biotherapeutic administration without disruption of the resident microbiota. Conclusions This study provides the first demonstration of MccI47 as a potent antimicrobial against certain Enterobacteriaceae , and its ability to significantly reduce the abundance of CR K. pneumoniae in a preclinical animal model, when delivered from an engineered live biotherapeutic product. This study serves as the foundational step towards the use of engineered live biotherapeutic products aimed at the selective removal of MDR pathogens from the GI tract

The role of microbes and their metabolites in modulating tuft cell (TC) dynamics in the large intestine and the relevance of this pathway to infections is unknown. Here, we uncover that microbiome-driven colonic TC hyperplasia protects against Clostridioides difficile infection. Using selective antibiotics, we demonstrate increased type 2 cytokines and TC hyperplasia in the colon but not in the ileum. We demonstrate the causal role of the microbiome in modulating this phenotype using fecal matter transplantation and administration of consortia of succinate-producing bacteria. Administration of succinate production–deficient microbes shows a reduced response in a Pou2f3-dependent manner despite similar intestinal colonization. Finally, antibiotic-treated mice prophylactically administered with succinate-producing bacteria show increased protection against C. difficile–induced morbidity and mortality. This effect is nullified in Pou2f3−/− mice, confirming that the protection occurs via the TC pathway. We propose that activation of TCs by the microbiota in the colon is a mechanism evolved by the host to counterbalance microbiome-derived cues that facilitate invasion by pathogens.