The human endogenous intestinal microflora is an essential “organ” in providing nourishment, regulating epithelial development, and instructing innate immunity; yet, surprisingly, basic features remain poorly described. We examined 13,355 prokaryotic ribosomal RNA gene sequences from multiple colonic mucosal sites and feces of healthy subjects to improve our understanding of gut microbial diversity. A majority of the bacterial sequences corresponded to uncultivated species and novel microorganisms. We discovered significant intersubject variability and differences between stool and mucosa community composition. Characterization of this immensely diverse ecosystem is the first step in elucidating its role in health and disease.

The human intestinal microbiota is composed of 10 13 to 10 14 microorganisms whose collective genome (“microbiome”) contains at least 100 times as many genes as our own genome. We analyzed ∼78 million base pairs of unique DNA sequence and 2062 polymerase chain reaction–amplified 16 S ribosomal DNA sequences obtained from the fecal DNAs of two healthy adults. Using metabolic function analyses of identified genes, we compared our human genome with the average content of previously sequenced microbial genomes. Our microbiome has significantly enriched metabolism of glycans, amino acids, and xenobiotics; methanogenesis; and 2-methyl- d -erythritol 4-phosphate pathway–mediated biosynthesis of vitamins and isoprenoids. Thus, humans are superorganisms whose metabolism represents an amalgamation of microbial and human attributes.

Helicobacter pylori, strain 26695, has a circular genome of 1,667,867 base pairs and 1,590 predicted coding sequences. Sequence analysis indicates that H. pylori has well-developed systems for motility, for scavenging iron, and for DNA restriction and modification. Many putative adhesins, lipoproteins and other outer membrane proteins were identified, underscoring the potential complexity of host–pathogen interaction. Based on the large number of sequence-related genes encoding outer membrane proteins and the presence of homopolymeric tracts and dinucleotide repeats in coding sequences, H. pylori, like several other mucosal pathogens, probably uses recombination and slipped-strand mispairing within repeats as mechanisms for antigenic variation and adaptive evolution. Consistent with its restricted niche, H. pylori has a few regulatory networks, and a limited metabolic repertoire and biosynthetic capacity. Its survival in acid conditions depends, in part, on its ability to establish a positive inside-membrane potential in low pH.

Here we determine the complete genomic sequence of the Gram negative, γ-Proteobacterium Vibrio cholerae El Tor N16961 to be 4,033,460 base pairs (bp). The genome consists of two circular chromosomes of 2,961,146 bp and 1,072,314 bp that together encode 3,885 open reading frames. The vast majority of recognizable genes for essential cell functions (such as DNA replication, transcription, translation and cell-wall biosynthesis) and pathogenicity (for example, toxins, surface antigens and adhesins) are located on the large chromosome. In contrast, the small chromosome contains a larger fraction (59%) of hypothetical genes compared with the large chromosome (42%), and also contains many more genes that appear to have origins other than the γ-Proteobacteria. The small chromosome also carries a gene capture system (the integron island) and host ‘addiction’ genes that are typically found on plasmids; thus, the small chromosome may have originally been a megaplasmid that was captured by an ancestral Vibrio species. The V. cholerae genomic sequence provides a starting point for understanding how a free-living, environmental organism emerged to become a significant human bacterial pathogen.

Nonalcoholic steatohepatitis (NASH) is a serious liver disease associated with obesity. Characterized by metabolic syndrome, hepatic steatosis, and liver inflammation, NASH is believed to be under the influence of the gut microflora. Here, the composition of gut bacterial communities of NASH, obese, and healthy children was determined by 16S ribosomal RNA pyrosequencing. In addition, peripheral blood ethanol was analyzed to monitor endogenous ethanol production of patients and healthy controls. UniFrac-based principle coordinates analysis indicated that most of the microbiome samples clustered by disease status. Each group was associated with a unique pattern of enterotypes. Differences were abundant at phylum, family, and genus levels between healthy subjects and obese patients (with or without NASH), and relatively fewer differences were observed between obese and the NASH microbiomes. Among those taxa with greater than 1% representation in any of the disease groups, Proteobacteria, Enterobacteriaceae, and Escherichia were the only phylum, family and genus types exhibiting significant difference between obese and NASH microbiomes. Similar blood-ethanol concentrations were observed between healthy subjects and obese non-NASH patients, but NASH patients exhibited significantly elevated blood ethanol levels.The increased abundance of alcohol-producing bacteria in NASH microbiomes, elevated blood-ethanol concentration in NASH patients, and the well-established role of alcohol metabolism in oxidative stress and, consequently, liver inflammation suggest a role for alcohol-producing microbiota in the pathogenesis of NASH. We postulate that the distinct composition of the gut microbiome among NASH, obese, and healthy controls could offer a target for intervention or a marker for disease.

Archaeoglobus fulgidus is the first sulphur-metabolizing organism to have its genome sequence determined. Its genome of 2,178,400 base pairs contains 2,436 open reading frames (ORFs). The information processing systems and the biosynthetic pathways for essential components (nucleotides, amino acids and cofactors) have extensive correlation with their counterparts in the archaeon Methanococcus jannaschii . The genomes of these two Archaea indicate dramatic differences in the way these organisms sense their environment, perform regulatory and transport functions, and gain energy. In contrast to M. jannaschii , A. fulgidus has fewer restriction–modification systems, and none of its genes appears to contain inteins. A quarter (651 ORFs) of the A. fulgidus genome encodes functionally uncharacterized yet conserved proteins, two-thirds of which are shared with M. jannaschii (428 ORFs). Another quarter of the genome encodes new proteins indicating substantial archaeal gene diversity.

Summary Pseudomonas putida is a metabolically versatile saprophytic soil bacterium that has been certified as a biosafety host for the cloning of foreign genes. The bacterium also has considerable potential for biotechnological applications. Sequence analysis of the 6.18 Mb genome of strain KT2440 reveals diverse transport and metabolic systems. Although there is a high level of genome conservation with the pathogenic Pseudomonad Pseudomonas aeruginosa (85% of the predicted coding regions are shared), key virulence factors including exotoxin A and type III secretion systems are absent. Analysis of the genome gives insight into the non‐pathogenic nature of P. putida and points to potential new applications in agriculture, biocatalysis, bioremediation and bioplastic production.

The microbiota of the human stomach and the influence of Helicobacter pylori colonization on its composition remain largely unknown. We characterized bacterial diversity within the human gastric mucosa by using a small subunit 16S rDNA clone library approach and analyzed 1,833 sequences generated by broad-range bacterial PCR from 23 gastric endoscopic biopsy samples. A diverse community of 128 phylotypes was identified, featuring diversity at this site greater than previously described. The majority of sequences were assigned to the Proteobacteria , Firmicutes , Actinobacteria , Bacteroidetes , and Fusobacteria phyla. Ten percent of the phylotypes were previously uncharacterized, including a Deinococcus -related organism, relatives of which have been found in extreme environments but not reported before in humans. The gastric clone libraries from 19 subjects contained H. pylori rDNA; however, only 12 of these subjects tested positive for H. pylori by conventional laboratory methods. Statistical analysis revealed a large degree of intersubject variability of the gastric ecosystem. The presence of H. pylori did not affect the composition of the gastric community. This gastric bacterial rDNA data set was significantly different from sequence collections of the human mouth and esophagus described in other studies, indicating that the human stomach may be home to a distinct microbial eco-system. The gastric microbiota may play important, as-yet-undiscovered roles in human health and disease.

ABSTRACT Staphylococcus aureus is an opportunistic pathogen and the major causative agent of numerous hospital- and community-acquired infections. Staphylococcus epidermidis has emerged as a causative agent of infections often associated with implanted medical devices. We have sequenced the ∼2.8-Mb genome of S. aureus COL, an early methicillin-resistant isolate, and the ∼2.6-Mb genome of S. epidermidis RP62a, a methicillin-resistant biofilm isolate. Comparative analysis of these and other staphylococcal genomes was used to explore the evolution of virulence and resistance between these two species. The S. aureus and S. epidermidis genomes are syntenic throughout their lengths and share a core set of 1,681 open reading frames. Genome islands in nonsyntenic regions are the primary source of variations in pathogenicity and resistance. Gene transfer between staphylococci and low-GC-content gram-positive bacteria appears to have shaped their virulence and resistance profiles. Integrated plasmids in S. epidermidis carry genes encoding resistance to cadmium and species-specific LPXTG surface proteins. A novel genome island encodes multiple phenol-soluble modulins, a potential S. epidermidis virulence factor. S. epidermidis contains the cap operon, encoding the polyglutamate capsule, a major virulence factor in Bacillus anthracis . Additional phenotypic differences are likely the result of single nucleotide polymorphisms, which are most numerous in cell envelope proteins. Overall differences in pathogenicity can be attributed to genome islands in S. aureus which encode enterotoxins, exotoxins, leukocidins, and leukotoxins not found in S. epidermidis .