Analyse multiomique des peptides d'extraits de levure et de leurs impacts fonctionnels sur Streptococcus thermophilus

par Lucas Proust

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Vincent Juillard.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2015-....) , en partenariat avec MICALIS- Microbiologie de l'Alimentation au service de la santé humaine (laboratoire) et de Université Paris-Saclay (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    Les bactéries lactiques sont largement utilisées en tant que ferments dans l'industrie laitière. Leur production s'effectue généralement dans des milieux semi-définis ou complexes dans lesquels certains nutriments peuvent être apportés par des extraits de levure (EXLs). Ce projet de thèse, qui associe deux partenaires industriels, les groupes Lesaffre et Sacco, ainsi que l'INRA, s'est focalisé sur l'effet des peptides de deux EXLs (EXL1 et EXL2) sur une souche industrielle de Streptococcus thermophilus, un levain lactique d'intérêt économique majeur. L'hypothèse sous-jacente était que ces peptides pourraient avoir un double rôle de nutrition et de régulation de fonctions cellulaires pouvant présenter un intérêt technologique. Afin d'explorer cette question, une stratégie expérimentale à deux niveaux a été élaborée : i) caractérisation et suivi cinétique de la fraction peptidique des deux EXLs par spectrométrie de masse (peptidomique) durant la fermentation de S. thermophilus en bioréacteurs, et ii) suivi cinétique parallèle du transcriptome et du protéome de la bactérie. L'objectif final était de croiser ces deux niveaux d'information afin de corréler des différences de contenu peptidique avec des différences d'activation de systèmes participant aux performances globales du levain. La caractérisation et le suivi du peptidome des EXLs en cours de fermentation a nécessité un important travail de développement méthodologique ayant abouti in fine à l'élaboration d'un outil analytique complet, combinant analyse peptidomique à haut-débit des échantillons et traitement bioinformatique et statistique des données. Cet outil a permis d'identifier environ 4000 peptides différents composant les deux EXLs. Le suivi cinétique a notamment permis de préciser la spécificité du transporteur d'oligopeptides de la bactérie (Ami). En particulier, il s'est avéré qu'une charge nette positive était le facteur prévalent pour le transport des peptides chez S. thermophilus. En complément de cette approche semi-quantitative, des analyses quantitatives ont été réalisées sur des fractions peptidiques des EXLs (dosages différentiels par HPLC des acides aminés avant et après hydrolyse). Elles ont notamment permis de révéler d'importantes différences de teneurs en oligopeptides entre les deux EXLs. En parallèle, le suivi transcriptomique et protéomique réalisé durant la croissance de la bactérie a révélé deux faits marquants. Le premier fait a trait à la surexpression dans l'EXL1 d'un locus génétique régulé par un mécanisme de quorum sensing utilisant un peptide phéromone comme signal moléculaire. Le deuxième fait marquant concerne diverses voies de biosynthèse (acides aminés et purines) différentiellement affectées par les deux EXLs. L'origine de ces dynamiques pourrait être au moins pour partie le fait de différences de contenu peptidique entre les deux substrats. Notamment, certaines voies de biosynthèse pourraient avoir été modulées différentiellement sous l'action de régulateurs centraux tels que CodY, dont l'activité est corrélée au contenu peptidique du milieu, ou encore YebC, un régulateur CodY-like dont le lien fonctionnel avec CodY reste encore inconnu chez S. thermophilus. Tous ces résultats ouvrent d'intéressantes perspectives pour mieux explorer le lien entre peptides et métabolisme bactérien. A terme, cette démarche pourrait se traduire par l'identification de biomarqueurs de performances dans les EXLs, et l'élaboration à façon de produits permettant de maximiser le potentiel technologique des ferments lactiques.

  • Titre traduit

    Multiomic analysis of yeast extract peptides and their functional impacts on Streptococcus thermophilus


  • Résumé

    Lactic acid bacteria are widely used as starters in dairy industry. They are generally produced in complex fermentation media containing a wide array of nutrients that can be provided by yeast extracts (YEs). The main goal of this thesis project, involving two industrial partners, Lesaffre and Sacco, as well as INRA, was to investigate the effect of the peptide fraction of two YEs (YE1 and YE2) on an industrial Streptococcus thermophilus strain, a major lactic acid starter. The underlying hypothesis of this whole project was that YE peptides could have a role in nutrition but also regulate cellular functions of technological relevance. In order to explore this question, a two-step strategy was elaborated: i) mass spectrometry characterization (peptidomics) of both YE peptide fractions and time course analysis of their relative abundance during the growth in bioreactors of S. thermophilus, and ii) parallel time course analysis of the strain transcriptome and proteome. The final objective was to cross these two levels of information in order to correlate differences of peptide content with differentially activated systems related to technological performances. YE peptidome characterization and kinetic analysis first required an important methodological development. It eventually resulted in a complete analytical tool that combines high throughput peptidomic analysis as well as bioinformatic and statistical data processing. This powerful tool was able to identify around 4,000 different peptides in both YEs. Then, the time course analysis also clarified the in vivo substrate specificities of the oligopeptide transport system of the bacterium (Ami). A peptide positive net charge notably turned out to be the leading factor governing peptide transport. In addition to this semi-quantitative approach, quantitative analyses were carried out on YE peptide fractions (differential HPLC analyses of amino acids before and after sample hydrolysis). They notably revealed significant differences in oligopeptides content between both YEs. Meanwhile, genome scale transcriptomic and proteomic analyses performed during the strain growth highlighted two significant events. The first one concerns the overexpression in YE1 of a quorum sensing-based genetic locus that uses a pheromone peptide as molecular signal. The second event relates to several biosynthesis pathways (amino acids and purines) that were differentially affected by both YEs. These dynamics could result from differences in peptide content between both substrates. In particular, some pathways could have been differentially modulated by central regulators such as CodY, whose activity is correlated to the medium peptide richness, or YebC, a CodY-like regulator whose functional link with CodY is still unknown in S. thermophilus. All these results open avenues for a better understanding of the interplay between peptides and bacterial metabolism. In the future, this whole approach could lead to the identification of performance biomarkers in YEs, which in turns may eventually translate into the conception of new customized products granting high technological performances to dairy starters.