Abstract A key challenge in microbiome research is to predict functionality from microbial community composition. As central microbiota functions are determined by bacterial community networks it is important to gain insight into the principles that govern bacteria-bacteria interactions. Here, we focused on growth and metabolic interactions of the Oligo-Mouse-Microbiota (OMM 12 ) synthetic bacterial community, which is increasingly used as model system in gut microbiome research. Using a bottom-up approach, we uncovered the directionality of strain-strain interactions in mono- and pairwise co-culture experiments, as well as in community batch culture. Metabolomics analysis of spent culture supernatant of individual strains in combination with genome-informed pathway reconstruction provided insights into the metabolic potential of the individual community members. Thereby, we could show that the OMM 12 interaction network is shaped by both, exploitative and interference competition in vitro. In particular, Enterococcus faecalis KB1 was identified as important driver of community composition by affecting the abundance of several other consortium members. Together, this study gives fundamental insight into key drivers and mechanistic basis of the OMM 12 interaction network, which serves as knowledge base for future mechanistic studies.

Abstract Microbe-microbe interactions are critical for gut microbiome function. A challenging task to understand health and disease-related microbiome signatures is to move beyond descriptive community-level profiling towards disentangling microbial interaction networks. Here, we aimed to determine members taking on a keystone role in shaping community ecology of a widely used synthetic bacterial community (OMM 12 ). Using single-species dropout communities and metabolomic profiling, we identified Bacteroides caecimuris I48, Blautia coccoides YL58 and Enterococcus faecalis KB1 as major drivers of in vitro community assembly and elucidated underlying mechanisms of these keystone functions. Importantly, keystone species and bacterial strain relationships were found to strongly vary across different nutritional conditions, depending on the strains’ potential to modify the corresponding environment. Further, gnotobiotic mice transplanted with communities lacking B. caecimuris I48 and B. coccoides YL58 exhibited morphological anomalies and altered intestinal metabolomic profiles, exposing physiologically relevant functions of these keystone community members. In summary, the presented study experimentally confirms the strong interdependency between bacterial community ecology and the biotic and abiotic environment, underlining the context-dependency and conditionality of bacterial interaction networks.

Abstract Gut microbial communities protect the host against a variety of major human gastrointestinal pathogens. Bacteriophages (phages) are ubiquitous in nature and frequently ingested via food and drinking water. Moreover, they are an attractive tool for microbiome engineering due to the lack of known serious adverse effects on the host. However, the functional role of phages within the gastrointestinal microbiome remain poorly understood. Here, we investigated the effects of microbiota-directed phages on infection with the human enteric pathogen Salmonella enterica serovar Typhimurium ( S . Tm), using a gnotobiotic mouse model (OMM 12 ) for colonization resistance (CR). We show that phage cocktails targeting Escherichia coli and Enterococcus faecalis acted in a strain-specific manner. They transiently reduced the population density of their respective target before establishing coexistence for up to 9 days. Infection susceptibility to S . Tm was markedly increased at an early time point after phage challenge. Surprisingly, OMM 12 mice were more susceptible 7 days after a single phage inoculation, when the targeted bacterial populations were back to pre-phage administration density. The presence of phages that dynamically modulates the density of protective members of the gut microbiota provides opportunities for invasion of bacterial pathogens.

SUMMARY Pyruvate (CH 3 COCOOH) is the simplest of the alpha-keto acids and is at the interface of several metabolic pathways both in prokaryotes and eukaryotes. In an amino acid-rich environment, fast-growing bacteria excrete pyruvate instead of completely metabolizing it. The role of pyruvate uptake in pathological conditions is still unclear. In this study, we identified two pyruvate-specific transporters, BtsT and CstA, in Salmonella enterica serovar Typhimurium ( S . Typhimurium). Expression of btsT is induced by the histidine kinase/response regulator system BtsS/BtsR upon sensing extracellular pyruvate (threshold 200 μM), whereas expression of cstA is maximal in the stationary phase. Both pyruvate transporters were found to be important for the uptake of this compound, but also for chemotaxis to pyruvate, survival under oxidative and nitrosative stress, and persistence of S . Typhimurium in response to gentamicin. Compared with the wild-type, the Δ btsT Δ cstA mutant has disadvantages in antibiotic persistence in macrophages, as well as in colonization and systemic infection in gnotobiotic mice. These data demonstrate the surprising complexity of the two pyruvate uptake systems in S . Typhimurium.