The apicomplexan Cryptosporidium parvum is an intestinal parasite that affects healthy humans and animals, and causes an unrelenting infection in immunocompromised individuals such as AIDS patients. We report the complete genome sequence of C. parvum , type II isolate. Genome analysis identifies extremely streamlined metabolic pathways and a reliance on the host for nutrients. In contrast to Plasmodium and Toxoplasma , the parasite lacks an apicoplast and its genome, and possesses a degenerate mitochondrion that has lost its genome. Several novel classes of cell-surface and secreted proteins with a potential role in host interactions and pathogenesis were also detected. Elucidation of the core metabolism, including enzymes with high similarities to bacterial and plant counterparts, opens new avenues for drug development.

Cryptosporidium species cause acute gastroenteritis and diarrhoea worldwide. They are members of the Apicomplexa—protozoan pathogens that invade host cells by using a specialized apical complex and are usually transmitted by an invertebrate vector or intermediate host. In contrast to other Apicomplexans, Cryptosporidium is transmitted by ingestion of oocysts and completes its life cycle in a single host. No therapy is available, and control focuses on eliminating oocysts in water supplies1. Two species, C. hominis and C. parvum, which differ in host range, genotype and pathogenicity, are most relevant to humans1,2,3. C. hominis is restricted to humans, whereas C. parvum also infects other mammals2. Here we describe the eight-chromosome ∼9.2-million-base genome of C. hominis2. The complement of C. hominis protein-coding genes shows a striking concordance with the requirements imposed by the environmental niches the parasite inhabits. Energy metabolism is largely from glycolysis. Both aerobic and anaerobic metabolisms are available, the former requiring an alternative electron transport system in a simplified mitochondrion. Biosynthesis capabilities are limited, explaining an extensive array of transporters. Evidence of an apicoplast is absent, but genes associated with apical complex organelles are present. C. hominis and C. parvum exhibit very similar gene complements, and phenotypic differences between these parasites must be due to subtle sequence divergence.

The gut microbiota is linked to many medical conditions, but our understanding is limited by the lack of affordable, non-invasive ways to sample it. Ingestible devices offer solutions, but current models are complex and can suffer from sample contamination. Consequently, we developed a 3D-printed ingestible device that is elastic, lightweight, low cost, and biocompatible. It collects small-intestinal content via pH-triggered sidewall inlets. Elastic microvalves with swellable beads autonomously close the inlets to prevent contamination. Consistent with bench-scale experimentation, tests in animals demonstrate that the bacterial populations recovered by the pills closely resemble the bacterial populations recovered post mortem from the small intestine. In contrast to the fecal microbiota, samples collected by the ingestible devices were more diverse and were characterized by a lower bacterial concentration than is found in feces. Our non-invasive and cost-effective gut sampling device is expected to advance our understanding of the role of the small-intestinal microbiota.

Abstract Cryptosporidiosis in an enteric infection caused by Cryptosporidium parasites and is a major cause of acute infant diarrhea in the developing world. A major bottleneck to research progress is the lack of methods to cryopreserve Cryptosporidium oocysts, thus requiring routine propagation in laboratory animals. Here, we report a method to cryopreserve C. parvum oocysts by ultra-fast cooling. Cryopreserved oocysts exhibits high viability and robust in vitro excystation, and are infectious to interferon-γ knockout mice. The course of the infection is comparable to what we observe with unfrozen oocysts. Oocyst viability and infectivity is not visibly changed after several weeks of cryogenic storage. Cryopreservation will facilitate the sharing of oocysts from well characterized isolates and transgenic strains among different laboratories.

ABSTRACT Based on our initial observations showing that mice consuming a probiotic product develop more severe cryptosporidiosis, we investigated the impact of other dietary interventions on the intracellular proliferation of Cryptosporidium parvum and C. tyzzeri in the mouse. Mice were orally infected with oocysts and parasite multiplication measured by quantifying fecal oocyst output. High-throughput sequencing of 16S ribosomal RNA amplicons was used to correlate oocyst output with diet and with the composition of the intestinal microbiota. On average, mice fed a diet without fiber (cellulose, pectin and inulin) developed more severe infections. As expected, a diet without fibers also significantly altered the fecal microbiota. Consistent with these observations, mice fed a prebiotic product sold for human consumption excreted significantly fewer oocysts. The fecal microbiota of mice consuming no plant polysaccharides was characterized by a lower relative abundance of Bacteroidetes bacteria. Since bacterial metabolites play an important role in the physiology of intestinal enterocytes, we hypothesize based on these observations that the impact of diet on parasite proliferation is mediated primarily by the metabolic activity of the anaerobic microbiota, specifically by the effect of certain metabolites on the host. This model is consistent with the metabolic dependence of intracellular stages of the parasite on the host cell. These observations underscore the potential of dietary interventions to alleviate the impact of cryptosporidiosis, particularly in infants at risk of recurrent enteric infections. AUTHOR SUMMARY The infection with Cryptosporidium parasite, a condition known as cryptosporidiosis, is a common cause of infant diarrhea in developing countries. We have previously shown that mice infected with C. parvum , one of the main cause of human cryptosporidiosis, develop a more severe infection if given probiotics. To investigate the mechanism of this effect, we fed mice prebiotics and diet lacking plant fiber. We found that fermentable fiber, whether administered as a prebiotic supplement or is part of the diet, has a protective effect against cryptosporidiosis in mice. We also observed a significant association between the severity of infection and the composition of the gut microbiota. A significant inverse correlation was found between severity of cryptosporidiosis and the ratio between the abundance of bacteria belonging to the phylum Bacteroidetes and the abundance of Firmicute bacteria. This ratio is frequently viewed as a marker of a healthy microbiota. These results raise the possibility that dietary interventions could be used to alleviate the impact of cryptosporidiosis.

Cryptosporidiosis is a leading cause of diarrhea in infants and immune-compromised individuals. The lack of effective drugs against this enteric infection is motivating research to develop alternative treatments. To this aim, the impact of probiotics on the course of cryptosporidiosis was explored. The native intestinal microbiota of specific pathogen-free immunosuppressed mice was initially depleted with orally administered antibiotics. Then, a commercially available probiotic product intended for human consumption was added (or not) to the drinking water. Probiotic treated and untreated mice were orally infected with Cryptosporidium parvum oocysts. On average, mice treated with probiotic excreted more oocysts, indicative of a more severe infection. The probiotic treatment significantly altered the fecal microbiota, but taxonomic analyses showed no direct association between ingestion of probiotic bacteria and their abundance in fecal microbiota. These results suggest that probiotics indirectly alter the intestinal microenvironment in such a way that favors proliferation of C. parvum. The increase in the relative abundance of facultative anaerobes observed in mice with severe cryptosporidiosis indicates that dysbiosis is a consequence of severe cryptosporidiosis. The increase in the abundance of facultative anaerobes observed in severely infected animals is consistent with analyses of microbiota from individuals infected with other enteric pathogens. The results are significant because they show that C. parvum responds to changes in the intestinal microenvironment induced by a nutritional supplement.

Technologies capable of non-invasively sampling different locations in the gut upstream of the colon will enable new insights into the role of organ-specific microbiota in human health. We present an ingestible, biocompatible, battery-less, 3D-printed micro-engineered pill with integrated osmotic sampler and microfluidic channels for in vivo sampling of the gut lumen and its microbiome upstream of the colon. The pill's sampling performance was characterized using realistic in vitro models and validated in vivo in pigs and primates. Our results show that the bacterial populations recovered from the pills' microfluidic channels closely resemble the bacterial population demographics of the microenvironment to which the pill was exposed. We believe such lab-on-a-pill devices will revolutionize our understanding of the spatial diversity of the gut microbiome and its response to medical conditions and treatments.