Background & AimsUlcerative colitis (UC) is difficult to treat, and standard therapy does not always induce remission. Fecal microbiota transplantation (FMT) is an alternative approach that induced remission in small series of patients with active UC. We investigated its safety and efficacy in a placebo-controlled randomized trial.MethodsWe performed a parallel study of patients with active UC without infectious diarrhea. Participants were examined by flexible sigmoidoscopy when the study began and then were randomly assigned to groups that received FMT (50 mL, via enema, from healthy anonymous donors; n = 38) or placebo (50 mL water enema; n = 37) once weekly for 6 weeks. Patients, clinicians, and investigators were blinded to the groups. The primary outcome was remission of UC, defined as a Mayo score ≤2 with an endoscopic Mayo score of 0, at week 7. Patients provided stool samples when the study began and during each week of FMT for microbiome analysis. The trial was stopped early for futility by the Data Monitoring and Safety Committee, but all patients already enrolled in the trial were allowed to complete the study.ResultsSeventy patients completed the trial (3 dropped out from the placebo group and 2 from the FMT group). Nine patients who received FMT (24%) and 2 who received placebo (5%) were in remission at 7 weeks (a statistically significant difference in risk of 17%; 95% confidence interval, 2%−33%). There was no significant difference in adverse events between groups. Seven of the 9 patients in remission after FMT received fecal material from a single donor. Three of the 4 patients with UC ≤1 year entered remission, compared with 6 of 34 of those with UC >1 year (P = .04, Fisher’s exact test). Stool from patients receiving FMT had greater microbial diversity, compared with baseline, than that of patients given the placebo (P = .02, Mann-Whitney U test).ConclusionsFMT induces remission in a significantly greater percentage of patients with active UC than placebo, with no difference in adverse events. Fecal donor and time of UC appear to affect outcomes. ClinicalTrials.gov Number: NCT01545908. Ulcerative colitis (UC) is difficult to treat, and standard therapy does not always induce remission. Fecal microbiota transplantation (FMT) is an alternative approach that induced remission in small series of patients with active UC. We investigated its safety and efficacy in a placebo-controlled randomized trial. We performed a parallel study of patients with active UC without infectious diarrhea. Participants were examined by flexible sigmoidoscopy when the study began and then were randomly assigned to groups that received FMT (50 mL, via enema, from healthy anonymous donors; n = 38) or placebo (50 mL water enema; n = 37) once weekly for 6 weeks. Patients, clinicians, and investigators were blinded to the groups. The primary outcome was remission of UC, defined as a Mayo score ≤2 with an endoscopic Mayo score of 0, at week 7. Patients provided stool samples when the study began and during each week of FMT for microbiome analysis. The trial was stopped early for futility by the Data Monitoring and Safety Committee, but all patients already enrolled in the trial were allowed to complete the study. Seventy patients completed the trial (3 dropped out from the placebo group and 2 from the FMT group). Nine patients who received FMT (24%) and 2 who received placebo (5%) were in remission at 7 weeks (a statistically significant difference in risk of 17%; 95% confidence interval, 2%−33%). There was no significant difference in adverse events between groups. Seven of the 9 patients in remission after FMT received fecal material from a single donor. Three of the 4 patients with UC ≤1 year entered remission, compared with 6 of 34 of those with UC >1 year (P = .04, Fisher’s exact test). Stool from patients receiving FMT had greater microbial diversity, compared with baseline, than that of patients given the placebo (P = .02, Mann-Whitney U test). FMT induces remission in a significantly greater percentage of patients with active UC than placebo, with no difference in adverse events. Fecal donor and time of UC appear to affect outcomes. ClinicalTrials.gov Number: NCT01545908.

Many bacteria control gene expression in response to cell population density, and this phenomenon is called quorum sensing. In Gram‐negative bacteria, quorum sensing typically involves the production, release and detection of acylated homoserine lactone signalling molecules called autoinducers. Vibrio harveyi , a Gram‐negative bioluminescent marine bacterium, regulates light production in response to two distinct autoinducers (AI‐1 and AI‐2). AI‐1 is a homoserine lactone. The structure of AI‐2 is not known. We have suggested previously that V. harveyi uses AI‐1 for intraspecies communication and AI‐2 for interspecies communication. Consistent with this idea, we have shown that many species of Gram‐negative and Gram‐positive bacteria produce AI‐2 and, in every case, production of AI‐2 is dependent on the function encoded by the luxS gene. We show here that LuxS is the AI‐2 synthase and that AI‐2 is produced from S ‐adenosylmethionine in three enzymatic steps. The substrate for LuxS is S ‐ribosylhomocysteine, which is cleaved to form two products, one of which is homocysteine, and the other is AI‐2. In this report, we also provide evidence that the biosynthetic pathway and biochemical intermediates in AI‐2 biosynthesis are identical in Escherichia coli , Salmonella typhimurium , V. harveyi , Vibrio cholerae and Enterococcus faecalis . This result suggests that, unlike quorum sensing via the family of related homoserine lactone autoinducers, AI‐2 is a unique, ‘universal’ signal that could be used by a variety of bacteria for communication among and between species.

In bacteria, the regulation of gene expression in response to changes in cell density is called quorum sensing. Quorum-sensing bacteria produce, release, and respond to hormone-like molecules (autoinducers) that accumulate in the external environment as the cell population grows. In the marine bacterium Vibrio harveyi two parallel quorum-sensing systems exist, and each is composed of a sensor-autoinducer pair. V. harveyi reporter strains capable of detecting only autoinducer 1 (AI-1) or autoinducer 2 (AI-2) have been constructed and used to show that many species of bacteria, including Escherichia coli MG1655, E. coli O157:H7, Salmonella typhimurium 14028, and S. typhimurium LT2 produce autoinducers similar or identical to the V. harveyi system 2 autoinducer AI-2. However, the domesticated laboratory strain E. coli DH5alpha does not produce this signal molecule. Here we report the identification and analysis of the gene responsible for AI-2 production in V. harveyi, S. typhimurium, and E. coli. The genes, which we have named luxSV.h., luxSS.t., and luxSE.c. respectively, are highly homologous to one another but not to any other identified gene. E. coli DH5alpha can be complemented to AI-2 production by the introduction of the luxS gene from V. harveyi or E. coli O157:H7. Analysis of the E. coli DH5alpha luxSE.c. gene shows that it contains a frameshift mutation resulting in premature truncation of the LuxSE.c. protein. Our results indicate that the luxS genes define a new family of autoinducer-production genes.

News from the Inner Tube of Life A major initiative by the U.S. National Institutes of Health to sequence 900 genomes of microorganisms that live on the surfaces and orifices of the human body has established standardized protocols and methods for such large-scale reference sequencing. By combining previously accumulated data with new data, Nelson et al. (p. 994 ) present an initial analysis of 178 bacterial genomes. The sampling so far barely scratches the surface of the microbial diversity found on humans, but the work provides an important baseline for future analyses.

Escherichia coli and Salmonella typhimurium strains grown in Luria-Bertani medium containing glucose secrete a small soluble heat labile organic molecule that is involved in intercellular communication. The factor is not produced when the strains are grown in Luria-Bertani medium in the absence of glucose. Maximal secretion of the substance occurs in midexponential phase, and the extracellular activity is degraded as the glucose is depleted from the medium or by the onset of stationary phase. Destruction of the signaling molecule in stationary phase indicates that, in contrast to other quorum-sensing systems, quorum sensing in E. coli and S. typhimurium is critical for regulating behavior in the prestationary phase of growth. Our results further suggest that the signaling factor produced by E. coli and S. typhimurium is used to communicate both the cell density and the metabolic potential of the environment. Several laboratory and clinical strains of E. coli and S. typhimurium were screened for production of the signaling molecule, and most strains make it under conditions similar to those shown here for E. coli AB1157 and S. typhimurium LT2. However, we also show that E. coli strain DH5alpha does not make the soluble factor, indicating that this highly domesticated strain has lost the gene(s) or biosynthetic machinery necessary to produce the signaling substance. Implications for the involvement of quorum sensing in pathogenesis are discussed.

Background & AimsProbiotics can reduce symptoms of irritable bowel syndrome (IBS), but little is known about their effects on psychiatric comorbidities. We performed a prospective study to evaluate the effects of Bifidobacterium longum NCC3001 (BL) on anxiety and depression in patients with IBS.MethodsWe performed a randomized, double-blind, placebo-controlled study of 44 adults with IBS and diarrhea or a mixed-stool pattern (based on Rome III criteria) and mild to moderate anxiety and/or depression (based on the Hospital Anxiety and Depression scale) at McMaster University in Canada, from March 2011 to May 2014. At the screening visit, clinical history and symptoms were assessed and blood samples were collected. Patients were then randomly assigned to groups and given daily BL (n = 22) or placebo (n = 22) for 6 weeks. At weeks 0, 6, and 10, we determined patients’ levels of anxiety and depression, IBS symptoms, quality of life, and somatization using validated questionnaires. At weeks 0 and 6, stool, urine and blood samples were collected, and functional magnetic resonance imaging (fMRI) test was performed. We assessed brain activation patterns, fecal microbiota, urine metabolome profiles, serum markers of inflammation, neurotransmitters, and neurotrophin levels.ResultsAt week 6, 14 of 22 patients in the BL group had reduction in depression scores of 2 points or more on the Hospital Anxiety and Depression scale, vs 7 of 22 patients in the placebo group (P = .04). BL had no significant effect on anxiety or IBS symptoms. Patients in the BL group had a mean increase in quality of life score compared with the placebo group. The fMRI analysis showed that BL reduced responses to negative emotional stimuli in multiple brain areas, including amygdala and fronto-limbic regions, compared with placebo. The groups had similar fecal microbiota profiles, serum markers of inflammation, and levels of neurotrophins and neurotransmitters, but the BL group had reduced urine levels of methylamines and aromatic amino acids metabolites. At week 10, depression scores were reduced in patients given BL vs placebo.ConclusionIn a placebo-controlled trial, we found that the probiotic BL reduces depression but not anxiety scores and increases quality of life in patients with IBS. These improvements were associated with changes in brain activation patterns that indicate that this probiotic reduces limbic reactivity. ClinicalTrials.gov no. NCT01276626. Probiotics can reduce symptoms of irritable bowel syndrome (IBS), but little is known about their effects on psychiatric comorbidities. We performed a prospective study to evaluate the effects of Bifidobacterium longum NCC3001 (BL) on anxiety and depression in patients with IBS. We performed a randomized, double-blind, placebo-controlled study of 44 adults with IBS and diarrhea or a mixed-stool pattern (based on Rome III criteria) and mild to moderate anxiety and/or depression (based on the Hospital Anxiety and Depression scale) at McMaster University in Canada, from March 2011 to May 2014. At the screening visit, clinical history and symptoms were assessed and blood samples were collected. Patients were then randomly assigned to groups and given daily BL (n = 22) or placebo (n = 22) for 6 weeks. At weeks 0, 6, and 10, we determined patients’ levels of anxiety and depression, IBS symptoms, quality of life, and somatization using validated questionnaires. At weeks 0 and 6, stool, urine and blood samples were collected, and functional magnetic resonance imaging (fMRI) test was performed. We assessed brain activation patterns, fecal microbiota, urine metabolome profiles, serum markers of inflammation, neurotransmitters, and neurotrophin levels. At week 6, 14 of 22 patients in the BL group had reduction in depression scores of 2 points or more on the Hospital Anxiety and Depression scale, vs 7 of 22 patients in the placebo group (P = .04). BL had no significant effect on anxiety or IBS symptoms. Patients in the BL group had a mean increase in quality of life score compared with the placebo group. The fMRI analysis showed that BL reduced responses to negative emotional stimuli in multiple brain areas, including amygdala and fronto-limbic regions, compared with placebo. The groups had similar fecal microbiota profiles, serum markers of inflammation, and levels of neurotrophins and neurotransmitters, but the BL group had reduced urine levels of methylamines and aromatic amino acids metabolites. At week 10, depression scores were reduced in patients given BL vs placebo. In a placebo-controlled trial, we found that the probiotic BL reduces depression but not anxiety scores and increases quality of life in patients with IBS. These improvements were associated with changes in brain activation patterns that indicate that this probiotic reduces limbic reactivity. ClinicalTrials.gov no. NCT01276626.

The rate of protein diffusion in bacterial cytoplasm may constrain a variety of cellular functions and limit the rates of many biochemical reactions in vivo. In this paper, we report noninvasive measurements of the apparent diffusion coefficient of green fluorescent protein (GFP) in the cytoplasm of Escherichia coli. These measurements were made in two ways: by photobleaching of GFP fluorescence and by photoactivation of a red-emitting fluorescent state of GFP (M. B. Elowitz, M. G. Surette, P. E. Wolf, J. Stock, and S. Leibler, Curr. Biol. 7:809-812, 1997). The apparent diffusion coefficient, Da, of GFP in E. coli DH5alpha was found to be 7.7 +/- 2.5 microm2/s. A 72-kDa fusion protein composed of GFP and a cytoplasmically localized maltose binding protein domain moves more slowly, with Da of 2.5 +/- 0.6 microm2/s. In addition, GFP mobility can depend strongly on at least two factors: first, Da is reduced to 3.6 +/- 0.7 microm2/s at high levels of GFP expression; second, the addition to GFP of a small tag consisting of six histidine residues reduces Da to 4.0 +/- 2.0 microm2/s. Thus, a single effective cytoplasmic viscosity cannot explain all values of Da reported here. These measurements have implications for the understanding of intracellular biochemical networks.

Understanding biology at the single-cell level requires simultaneous measurements of biochemical parameters and behavioral characteristics in individual cells. Here, the output of individual flagellar motors in Escherichia coli was measured as a function of the intracellular concentration of the chemotactic signaling protein. The concentration of this molecule, fused to green fluorescent protein, was monitored with fluorescence correlation spectroscopy. Motors from different bacteria exhibited an identical steep input-output relation, suggesting that they actively contribute to signal amplification in chemotaxis. This experimental approach can be extended to quantitative in vivo studies of other biochemical networks.