Summary

 Diet modulates the gut microbiome, which in turn can impact the immune system. Here, we determined how two microbiota-targeted dietary interventions, plant-based fiber and fermented foods, influence the human microbiome and immune system in healthy adults. Using a 17-week randomized, prospective study (n = 18/arm) combined with -omics measurements of microbiome and host, including extensive immune profiling, we found diet-specific effects. The high-fiber diet increased microbiome-encoded glycan-degrading carbohydrate active enzymes (CAZymes) despite stable microbial community diversity. Although cytokine response score (primary outcome) was unchanged, three distinct immunological trajectories in high-fiber consumers corresponded to baseline microbiota diversity. Alternatively, the high-fermented-food diet steadily increased microbiota diversity and decreased inflammatory markers. The data highlight how coupling dietary interventions to deep and longitudinal immune and microbiome profiling can provide individualized and population-wide insight. Fermented foods may be valuable in countering the decreased microbiome diversity and increased inflammation pervasive in industrialized society.

Abstract Diet modulates the gut microbiome, and gut microbes, in turn, can impact the immune system. Here, we used two gut microbiota-targeted dietary interventions, plant-based fiber or fermented foods, to determine how each influences the human microbiome and immune system in healthy adults. Using a 17-week randomized, prospective study design combined with -omics measurements of microbiome and host, including extensive immune profiling, we found distinct effects of each diet. High-fiber consumers showed increased gut microbiome-encoded glycan-degrading CAZymes despite stable community diversity. Three distinct immunological trajectories in high fiber-consumers corresponded to baseline microbiota diversity. Alternatively, the high-fermented food diet steadily increased microbiota diversity and decreased inflammatory markers. The data highlight how coupling dietary interventions to deep and longitudinal immune and microbiome profiling can provide individualized and population-wide insight. Our results indicate that fermented foods may be valuable in countering the decreased microbiome diversity and increased inflammation pervasive in the industrialized society.

Abstract Fermented foods are ancient and ubiquitous, thought to be consumed in nearly every culture over the last 10,000 years and as part of the hominin diet for millions of years. A growing body of evidence supports their potential health benefits, but the mechanistic basis of their effects on the gut microbiome and host immunity remain to be elucidated. Fermented foods are diverse, each representing a complex mixture of food, microbes, and metabolites creating a significant challenge to disentangle the effects of individual components. Herein, we further define the chemical signature of individual fermented foods to categorize them based on the primary metabolic end-products of fermentation. Using mouse models, we find that fermented foods have both microbiome directed as well as differential host directed effects that correspond to their metabolite composition. Fermented food brine drink shows site-specific restructuring of the gut microbiome and promotion of tolerogenic barrier immunity; fractionation of the brine to examine the effects of the microbe-free, metabolite rich supernatant shows similar activity. Lactate, the main metabolite of lactic acid fermentation and the major metabolite within the brine drink, when administered in water, fuels a trans-kingdom metabolic network to selectively promote the growth of Akkermansia muciniphila . in the small intestine, while promoting immune tolerance via an increase in microbiota-dependent Regulatory T-cells. These findings suggest that the beneficial effects of fermented food consumption can be mediated by microbial metabolites within fermented foods, independent of microbial content, and highlight the importance of further defining the diverse chemical landscape of fermented foods to inform their potential health benefits and therapeutic use.

With the rising rates of obesity and associated metabolic disorders, there is a growing need for effective long-term weight loss strategies, coupled with an understanding of how they interface with host physiology. While diet is a critical and promising area of focus, it has been difficult to identify diets that are broadly effective in long-term weight management. To explore the interaction between specific diets and bacteria within the gut, we tracked microbiota composition over a 12-month period as part of a larger dietary intervention study of participants consuming either a low-carbohydrate or low-fat diet. While baseline microbiota composition was not predictive of weight loss, each diet resulted in substantial changes in the microbiota three months after the start of the intervention; some of these changes were diet-specific and others tracked with weight loss. After these initial shifts, the microbiota returned near its original baseline state for the remainder of the intervention, despite participants maintaining their diet and weight loss for the entire study. These results suggest a resilience to perturbation of the microbiome's starting state. When considering the established contribution of obese-associated microbiotas to weight gain in animal models, microbiota resilience may need to be overcome for long-term alterations to host physiology.

Stool-based proteomics is capable of significantly augmenting our understanding of host-gut microbe interactions. However, in comparison to competing technologies such as metagenomics and 16S rRNA sequencing, it is under-utilized due to its low throughput and the negative impact sample contaminants can have on highly sensitive mass spectrometry equipment. Here, we present a new stool proteomic processing pipeline that addresses these shortcomings in a highly reproducible and quantitative manner. Using this method, 290 samples from a dietary intervention study were processed in approximately 1.5 weeks, largely done by a single researcher. These data indicated a subtle but distinct monotonic increase in the number of significantly altered proteins between study participants on fiber- or fermented food-enriched diets. Lastly, we were able to classify study participants based on their diet-altered proteomic profiles, and demonstrated that classification accuracies of up to 89% could be achieved by increasing the number of subjects considered. Taken together, this study represents the first high throughout proteomic method for processing stool samples in a technically reproducible manner, and has the potential to elevate stool-based proteomics as an essential tool for profiling host-gut microbiome interactions in a clinical setting.

Abstract Infant microbiome assembly is intensely studied in infants from industrialized nations, but little is known about this process in populations living non-industrialized lifestyles. In this study we deeply sequenced infant stool samples from the Hadza hunter-gatherers of Tanzania and analyzed them in a global meta-analysis. Infant microbiomes develop along lifestyle-associated trajectories, with over twenty percent of genomes detected in the Hadza infant gut representing phylogenetically diverse novel species. Industrialized infants, even those who are breastfed, have microbiomes characterized by a paucity of Bifidobacterium infantis and gene cassettes involved in human milk utilization. Strains within lifestyle-associated taxonomic groups are shared between mother-infant dyads, consistent with early-life inheritance of lifestyle-shaped microbiomes. The population-specific differences in infant microbiome composition and function underscore the importance of studying microbiomes from people outside of wealthy, industrialized nations. Recognition of work on indigenous communities Research involving indigenous communities is needed for a variety of reasons including to ensure that scientific discoveries and understanding appropriately represent all populations and do not only benefit those living in industrialized nations. Special considerations must be made to ensure that this research is conducted ethically and in a non-exploitative manner. In this study we performed deep metagenomic sequencing on fecal samples that were collected from Hadza hunter-gatherers in 2013/2014 and were analyzed in previous publications using different methods ( 1, 2 ). A material transfer agreement with the National Institute for Medical Research in Tanzania ensures that stool samples collected are used solely for academic purposes, permission for the study was obtained from the National Institute of Medical Research (MR/53i 100/83, NIMR/HQ/R.8a/Vol.IX/1542) and the Tanzania Commission for Science and Technology, and verbal consent was obtained from the Hadza after the study’s intent and scope was described with the help of a translator. The publications that first described these samples included several scientists and Tanzanian field-guides as co-authors for the critical roles they played in sample collection, but as no new samples were collected in this study, only scientists who contributed to the analyses described here were included as co-authors in this publication. It is currently not possible for us to travel to Tanzania and present our results to the Hadza people, however we intend to do so once the conditions of the COVID-19 pandemic allow it.