ABSTRACT Although many aspects of microbiome studies have been standardized to improve experimental replicability, none account for how the daily diurnal fluctuations in the gut lumen cause dynamic changes in 16S amplicon sequencing. Here we show that sample collection time affects the conclusions drawn from microbiome studies and are larger than the effect size of a daily experimental intervention or dietary changes. The timing of divergence of the microbiome composition between experimental and control groups are unique to each experiment. Sample collection times as short as only four hours apart lead to vastly different conclusions. Lack of consistency in the time of sample collection may explain poor cross-study replicability in microbiome research. Without looking at other data, the impact on other fields is unknown but potentially significant. One-Sentence Summary If we are not controlling for host circadian rhythm time in microbiome studies when performing experiments, it is like trying to measure sea level rise while not knowing that tides or waves exist.

ABSTRACT Live bacterial therapeutics (LBT) could reverse disease by engrafting in the gut and providing persistent beneficial functions in the host. However, attempts to functionally manipulate the gut microbiome of conventionally-raised (CR) hosts have been unsuccessful, because engineered microbial organisms (i.e., chassis) cannot colonize the hostile luminal environment. In this proof-of-concept study, we use native bacteria as chassis for transgene delivery to impact CR host physiology. Native Escherichia coli isolated from stool cultures of CR mice were modified to express functional bacterial (bile salt hydrolase) and eukaryotic (Interleukin-10) genes. Reintroduction of these strains induces perpetual engraftment in the intestine. In addition, engineered native E. coli can induce functional changes that affect host physiology and reverse pathology in CR hosts months after administration. Thus, using native bacteria as chassis to “knock-in” specific functions allows mechanistic studies of specific microbial activities in the microbiome of CR hosts, and enables LBT with curative intent.