Caractérisation de l'impact des bactériophages sur la conduite de fermentations alimentaires

Characterisation of the impact of bacteriophages on food fermentations

• Auteur / Autrice : Julia Gendre
• Direction : Sophie Landaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 03/01/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SayFood - Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Communautés microbiennes alimentaires
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Microbiologie

Bactériophages

Fermentation alimentaire

Microbiology

Bacteriophages

Food fermentation

Résumé

Les attentes sociétales concernant l'alimentation (réduction des additifs alimentaires, engouement pour le bio) et le changement climatique sont susceptibles d'impacter fortement les procédés de fermentation à base de végétaux. Par exemple, l'augmentation du taux de sucres dans les grains de raisins produits sous l'effet du changement climatique et utilisés pour la fabrication du vin, ou la réduction de l'utilisation des sulfites peuvent entraîner d'importantes modifications sur la diversité, la croissance et l'activité des différents micro-organismes qui participent à la fermentation. De même, pour les légumes fermentés, la qualité des matières premières risque d'être impactée par les pratiques agricoles (bio versus non bio par exemple) et le réchauffement climatique, et par conséquence pourraient altérer la maîtrise des fermentations. Le projet MetaSimFood (2022-2025), financé par l'ANR, vise à étudier les paramètres clés de ces écosystèmes fermentaires par une approche d'écologie synthétique, et ainsi de proposer des solutions microbiennes adaptées pour anticiper ces changements. Le présent projet de thèse se concentrera sur les interactions hôtes-phages pendant les fermentations et sera composée de deux phases distinctes : Dans un premier temps (18 mois), l'hypothèse que les particules virales (phages virulents et tempérés) constituent un driver important de l'assemblage des communautés microbiennes des aliments fermentés sera testée. L'étude portera plus particulièrement sur le vin et les légumes fermentés. Pour chaque type de produits, une bio-banque de phages sera constituée à partir de prélèvements cinétiques réalisés en cours de fabrication. Les phages en seront isolés et leur activité sera testée sur un ensemble de souches représentatives des espèces rencontrées dans l'écosystème du produit naturel. Nous prévoyons de mettre en œuvre au minimum les espèces de bactéries lactiques suivantes : Oenococcus oeni (vin), Lactiplantibacillus plantarum (vin et légumes), Leuconostoc mesenteroides (légumes) et Latilactobacillus sakei (légumes). Les phages seront ensuite caractérisés (temps de latence, burst size, structure du virion en MET) et séquencés pour analyser leur style de vie et la présence éventuelle de morons (gènes codés par le phage conférant un avantage à la bactérie hôte). En parallèle, en collaboration avec l'équipe de Marie-Agnès Petit (UMR Micalis), les échantillons collectés seront soumis à des opérations (i) de dénombrement des particules virales totales (VLP) et (ii) de séquençage après concentration des particules virales (viromes). La connaissance des viromes globaux confortera ou orientera l'isolement des phages représentatifs de l'écosystème. L'existence d'un shift global virulent/tempéré durant la fermentation sera aussi analysé. La deuxième partie de la thèse (18 mois restants) évaluera l'hypothèse selon laquelle la lysogénie impacte la trajectoire des LAB pendant les fermentations alimentaires. L'objectif est d'établir si la présence de prophages confère un gain de fitness aux hôtes bactériens. La personne recrutée se concentrera sur des phages-candidats porteurs de morons repérés lors de l'analyse de viromes et actifs sur des souches des espèces Lactiplantibacillus plantarum ou Oenococcus oeni. Il sélectionnera des couples isogéniques (non lysogènes/lysogènes) dont la croissance sera comparée au cours de productions pilotes dans chacune des deux fermentations. La contribution du phage tempéré en tant que tel, ou simplement de son (ses) moron(s) à la « bonne conduite » fermentaire sera testée.

The new societal demands regarding food (reduction of additives, increasing demand of organic products) and the climate change are likely to impact the fermentation process of plant-based foods. For example, increasing temperatures lead to an increase in the sugar content of grapes used for wine production or the reduction of sulphites may influence the diversity, growth kinetics and activities of microorganisms responsible for wine production. Regarding fermented vegetables, the quality of raw materials may be modified in relation to novel agricultural practices (organic versus conventional practices for example) and climate change. This could have a very strong effect on the microbial activities of spontaneous natural microbiota involved in the downstream fermentation process. The MetaSimFood project (2022-2025), funded by the French National Research Agency (ANR), aims at studying the key parameters playing a role in plant-based fermented foods' ecosystems using a synthetic ecology approach and, finally, to design microbial solutions in order to anticipate the above-mentioned changes. The present PhD project will focus on the interactions between phage and Lactic Acid Bacteria (LAB) and will be organized in two tasks: The hypothesis that viral particles (virulent and temperate phages) constitute an important driver of the microbial community assembly in fermented foods will be addressed. During the first 18 months, the PhD student will collect viral particles from natural fermented foods studied in the project (wine and fermented vegetables). Then, phages will be isolated from these biobanks using reference strains used in the project to design synthetic ecosystems mimicking the composition of natural products. We will target several LAB species including Oenococcus oeni (wine), Lactiplantibacillus plantarum (wine and vegetables), Leuconostoc mesenteroides (vegetables) and Lactilactobacillus sakei (vegetables). Upon isolation, phages will be characterized (latency period, burst size, morphology using TEM) and sequenced in order to analyse their lifestyle and presence of morons (phage encoded-genes providing advantages to their host). In parallel and in collaboration with the team of Marie-Agnès Petit (UMR Micalis), the student will also use interferometric measurement to count viral particles extracted from the food samples and perform viral metagenomics analyses. This knowledge will confirm or help the isolation of representative phages from the food products. The occurrence of a global shift between virulent/temperate lifestyles during the fermentation process will also be analysed. During the next 18 months, the objective will be to provide functional insights into lysogeny during food fermentation. We will assess whether prophages confer a gain of fitness to their hosts and explore the putative contribution of moron genes. Our strategy will be to establish lysogens for a purified temperate phage carrying morons using a phage sensitive bacterium devoid of phages (e.g. a strain of Lactiplantibacillus plantarum or Oenococcus oeni). The production of isogenic pairs of strains that differ only by the lysogenic presence of a given prophage, will allow further comparisons of different phenotypic traits. Genetic tools will be developed to better characterize the role of moron genes.