We present a global atlas of 4,728 metagenomic samples from mass-transit systems in 60 cities over 3 years, representing the first systematic, worldwide catalog of the urban microbial ecosystem. This atlas provides an annotated, geospatial profile of microbial strains, functional characteristics, antimicrobial resistance (AMR) markers, and genetic elements, including 10,928 viruses, 1,302 bacteria, 2 archaea, and 838,532 CRISPR arrays not found in reference databases. We identified 4,246 known species of urban microorganisms and a consistent set of 31 species found in 97% of samples that were distinct from human commensal organisms. Profiles of AMR genes varied widely in type and density across cities. Cities showed distinct microbial taxonomic signatures that were driven by climate and geographic differences. These results constitute a high-resolution global metagenomic atlas that enables discovery of organisms and genes, highlights potential public health and forensic applications, and provides a culture-independent view of AMR burden in cities.

Abstract An intact gut microbiota confers colonization resistance against Clostridioides difficile through a variety of mechanisms, likely including competition for nutrients. Recently, proline was identified as an important environmental amino acid that C. difficile uses to support growth and cause significant disease. A post-translationally modified form, trans-4-hydroxyproline, is highly abundant in collagen, which is degraded by host proteases in response to C. difficile toxin activity. The ability to dehydrate trans-4-hydroxyproline via the HypD glycyl radical enzyme is wide-spread amongst gut microbiota, including C. difficile and members of the commensal Clostridia , suggesting that this amino acid is an important nutrient in the host environment. Therefore, we constructed a C. difficile Δ hypD mutant and found that it was modestly impaired in fitness in a mouse model of infection, and was associated with an altered microbiota when compared to mice challenged with the wild type strain. Changes in the microbiota between the two groups were largely driven by members of the Lachnospiraceae family and the Clostridium genus. We found that C. difficile and type strains of three commensal Clostridia had significant alterations to their metabolic gene expression in the presence of trans-4-hydroxyproline in vitro . The proline reductase ( prd ) genes were elevated in C. difficile , consistent with the hypothesis that trans-4-hydroxyproline is used by C. difficile to supply proline for fermentation. Similar transcripts were also elevated in some commensal Clostridia tested, although each strain responded differently. This suggests that the uptake and utilization of other nutrients by the commensal Clostridia may be affected by trans-4-hydroxyproline metabolism, highlighting how a common nutrient may be a signal to each organism to adapt to a unique niche. Further elucidation of the differences between them in the presence of hydroxyproline and other key nutrients will be important to determining their role in nutrient competition against C. difficile.