Revision sheet: Microbiologie et Fermentation Lactique

📋 Plan du Cours

1. Nomenclature et niches écologiques
2. Métabolisme azoté
3. LAB des saucisses fermentées
4. Latilactobacillus sakei et adaptation
5. Fonctionnalités en fermentation carnée
6. Bactériocines et biopréservation
7. Acides organiques, réutérine et altération
8. Probiotiques et applications santé
9. Résistance aux β-lactamines et sels biliaires
10. Stress osmotique et protéines de stress
11. Réponse stringente et biofilms

📖 1. Nomenclature et niches écologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Reclassification Lactobacillus 2020 : En 2020, Lactobacillus a été reclassé en 25 genres grâce à la phylogénie du génome central et à des critères physiologiques et d’écologie.
• Reste espèce type Lactobacillus : Le groupe correspondant à L. delbrueckii, espèce type, conserve le nom de genre Lactobacillus après la reclassification.
• Rhizosphère bactéries jusqu’à 10^11 : La rhizosphère est une zone très riche où les bactéries lactiques peuvent atteindre jusqu’à 10¹¹ UFC par gramme selon l’environnement.
• Flore vaginale 70 à 90% lactobacilles : Chez les femmes en bonne santé, la flore vaginale est dominée par des lactobacilles, représentant 70 à 90% des bactéries résidentes.

📝 Points essentiels

• Pasteur et Metchnikoff ont mis en évidence le rôle de la fermentation pour la conservation des aliments.
• L. delbrueckii sert d’espèce type : seul le nom du genre change, les noms d’espèces ne changent pas lors du re-classement.
• Le genre Lactobacillus a été réduit à 38 espèces lors de la reclassification en 25 genres.
• Les bactéries lactiques des aliments fermentés traditionnels viennent de la matrice d’origine et sont sélectionnées pour contrôler la fermentation, à 10^4 à 10^9 UFC/g dans les produits.
• Les légumes et fruits crus contiennent moins de bactéries lactiques que la matrice fermentante, mais les populations microbiennes totales peuvent être plus élevées, avec Leuconostoc, Lactiplantibacillus, Weissella, Enterococcus et Pediococcus.
• Dans la bouche, Streptococcus et Enterococcus dominent dans la salive et sur les tissus mous.

💡 Astuce mémo

Rhizo = 10¹¹ ; Vagin = 70–90% : chiffres “zéro doute” pour situer les niches.

📖 2. Métabolisme azoté

🔑 Notions clés & Définitions

• Auxotrophie en acides aminés : L’auxotrophie est l’incapacité d’une bactérie lactique à synthétiser tout ou partie des acides aminés dont elle a besoin pour grandir.
• Nutrition azotée des bactéries lactiques : La nutrition azotée regroupe les étapes permettant aux bactéries lactiques d’obtenir des acides aminés depuis le milieu puis de les transformer en éléments utiles.
• Protéolyse extracellulaire : La protéolyse extracellulaire correspond au découpage des protéines dans le milieu extérieur grâce à des protéases exportées avant l’entrée des nutriments.
• Protéolyse intracellulaire : La protéolyse intracellulaire désigne la dégradation de peptides internalisés par des peptidases à l’intérieur de la cellule.

📝 Points essentiels

• Les bactéries lactiques sont très dépendantes des acides aminés car elles présentent de nombreuses auxotrophies, pouvant concerner environ 4 à 20 acides aminés non synthétisés.
• La nutrition azotée suit trois étapes : protéolyse extracellulaire, transport des acides aminés et peptides, puis protéolyse intracellulaire.
• Les protéases de paroi impliquées dans la protéolyse extracellulaire appartiennent à la famille des subtilisines, sous forme de pré-proprotéines nécessitant des clivages pour maturation et activation.
• Le transport des peptides s’appuie sur une entrée liée à l’ATP (hydrolyse) puis une internalisation via un pore membranaire formé par deux protéines.
• La protéolyse intracellulaire utilise un ensemble de peptidases (Pep… ; souvent des oligo- ou tripeptidases) organisées sous un régulon de type CodY.
• Le catabolisme des acides aminés sert à produire de l’énergie et à recycler des cofacteurs, tout en alimentant la synthèse de molécules aromatiques via transaminations et réactions sur les chaînes latérales.

💡 Astuce mémo

Protéases en 3 temps : dehors (subtilisines) → dedans (Pep… ) → puis énergie et aromates via transaminase.

📖 3. LAB des saucisses fermentées

🔑 Notions clés & Définitions

• Fermentations carnées : Ensemble des transformations où des bactéries lactiques participent à la conservation et à la maturation des produits carnés grâce à leurs activités métaboliques.
• LAB homofermentaires : Bactéries lactiques qui fermentent majoritairement en produisant du lactate, ce qui favorise une acidification utile à la sécurité des saucisses fermentées.
• LAB hétérofermentaires : Bactéries lactiques produisant aussi du gaz et d’autres composés en plus du lactate, pouvant conduire à des altérations organoleptiques dans les saucisses fermentées.
• Flore initiale de viande : Ensemble des micro-organismes présents au départ sur la viande, dont une proportion importante de LAB conditionne la fermentation et le profil du produit fini.

📝 Points essentiels

• Les saucisses fermentées montrent une grande diversité microbienne dont la croissance dépend notamment des nutriments, du pH, du potentiel redox, de l’aw et de la concentration en NaCl et nitrites/nitrates.
• Dans les saucisses fermentées spontanées, la flore initiale majoritaire inclut Latilactobacillus (L. sakei, L. curvatus), Leuconostoc (L. gelidul, L. carnosum, L. gasocomitatum) et Carnobacterium (C. maltaromaticum, C. piscicola, C. divergens).
• Les LAB homofermentaires sont recherchées technologiquement car elles acidifient le produit et abaissent le pH pour sécuriser la fermentation.
• Les LAB hétérofermentaires peuvent être à l’origine d’altération avec des goûts acides et une production de gaz.
• La réfrigération des carcasses sélectionne des espèces d’altération et pathogènes psychrophiles avant la transformation.

💡 Astuce mémo

Homofermentaire = pH bas, sans gaz ; Hétérofermentaire = acide + gaz (goût d’altération).

📖 4. Latilactobacillus sakei et adaptation

🔑 Notions clés & Définitions

• Psychrophilie : La psychrophilie correspond à la capacité d’exprimer des adaptations permettant de survivre et fonctionner à basse température.
• Solutés cryo protecteurs : Les solutés cryo protecteurs sont des composés compatibles accumulés pour limiter les dommages liés au froid et à la déshydratation.
• Réponse KCl : La réponse KCl est une adaptation osmotique où la cellule accumule surtout des ions potassium lors d’un choc hyperosmotique.

📝 Points essentiels

• Chez un psychrophile, plusieurs gènes impliqués dans la réponse au stress froid s’expriment pour s’adapter à la température basse.
• La tolérance au sel repose sur l’accumulation de solutés osmoprotecteurs et cryo protecteurs comme la bétaïne et la carnitine.
• Lors d’un choc hyperosmotique, la réponse primaire consiste à accumuler des ions K+ en réponse à l’augmentation de la salinité.
• À forte concentration saline, la cellule accumule environ 2 fois plus d’ions K+ qu’à faible con...

💡 Astuce mémo

KCl = “K pour ChoC salé” : le sel augmente, le potassium grimpe.

📖 5. Fonctionnalités en fermentation carnée

🔑 Notions clés & Définitions

• Réutérine : La réutérine est un composé antimicrobien issu de la conversion du glycérol par certaines LAB, capable de désactiver des protéines cellulaires.
• Peroxyde d’hydrogène : Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est un agent oxydant produit par certaines LAB en présence d’oxygène et impliqué dans des dégâts de membranes et de protéines.
• Éthanol : L’éthanol est un métabolite produit par certaines LAB qui endommage les membranes et dénature des protéines.
• Diacétyle : Le diacétyle est un composé aromatique formé par le métabolisme de certaines LAB, possédant une activité antimicrobienne plutôt faible.

📝 Points essentiels

• La réutérine permet de transformer le glycérol, désactive des protéines et agit à large spectre contre des bactéries Gram + et Gram -, ainsi que levures et moisissures, avec une faible toxicité pour l’humain.
• En présence d’oxygène, certaines LAB produisent du H2O2 qui favorise l’oxydation des protéines et la perturbation des membranes, avec formation de radicaux hydroxyls via la réaction de Fenton.
• L’éthanol issu du métabolisme des LAB provoque des dommages membranaires et une dénaturation des protéines, et peut agir en synergie avec d’autres antimicrobiens comme l’acide lactique.
• Le diacétyle, produit par dégradation du citrate par certaines LAB, est antimicrobien à activité faible et efficace surtout contre les bactéries Gram négatif.
• En altération des aliments, les LAB peuvent acidifier fortement, produire de mauvais goûts, former des « trous » par production de gaz et générer des amines biogènes.
• Des emballages à atmosphère modifiée (O2, CO2, N2) associés à la réfrigération servent de barrière et inhibent notamment levures, champignons filamenteux, bactéries aérobies (Pseudomonas) et entérobactéries sensibles au froid.

💡 Astuce mémo

H2O2 = Avec O2 → Fenton → membranes & protéines KO; Éthanol = membrane + protéines dénaturées; Diacétyle = Gram − surtout.

📖 6. Bactériocines et biopréservation

🔑 Notions clés & Définitions

• Bactériocines : Ce sont des substances antimicrobiennes produites par certaines bactéries lactiques, pouvant influencer la physiologie des cellules voisines.
• Biopréservation : C’est l’utilisation de microorganismes ou de leurs produits pour freiner la croissance d’agents indésirables et prolonger la durée de conservation des aliments.
• Biopréservation par LAB : Il s’agit d’employer des bactéries lactiques ou leurs métabolites afin de limiter les pathogènes et de stabiliser la fermentation ou l’aliment.

📝 Points essentiels

• Dans les systèmes d’expression chez les LAB, la concentration en bactériocines fait partie des conditions environnementales pouvant moduler la production de la protéine recombinante.
• Les LAB peuvent contribuer à la biopréservation en agissant comme agents antimicrobiens et en soutenant des conditions défavorables à la croissance des microorganismes indésirables.

📖 7. Acides organiques, réutérine et altération

🔑 Notions clés & Définitions

• Acides organiques : Produits issus du métabolisme ou de la fermentation qui acidifient le milieu et peuvent freiner la croissance bactérienne.
• Réponse osmotique : Adaptation à l’hyperosmolarité qui augmente la survie quand la concentration extérieure en sels devient élevée.
• Solutés compatibles : Solutés organiques accumulés dans le cytoplasme pour équilibrer l’osmolarité sans trop perturber les protéines.
• Réponse stringente : Mécanisme de stress déclenché par la limitation en nutriments qui réoriente la cellule via le (p)ppGpp.

📝 Points essentiels

• L’accumulation d’ions K+ est une réponse à court terme et transitoire à l’augmentation de NaCl chez Listeria, jouant un rôle osmoprotecteur face au sel élevé.
• L’adaptation à long terme passe par l’accumulation de solutés compatibles transportés vers le cytoplasme et soit présents dehors soit synthétisés à l’intérieur de la cellule.
• La glycine bétaïne est le soluté compatible majoritaire chez les bactéries et doit être très soluble puis accumulée à forte concentration dans le cytoplasme.
• Chez Listeria, la choline est importée par BetT, puis transformée en aldéhyde de glycine bétaïne par BetA avec consommation de 1/2 O2 et production de H2O et H+, avant conversion en glycine bétaïne par BetB utilisant NADP+ + H2O et produisant NADPH.
• La réponse stringente est déclenchée par la limitation de nutriments, notamment en acides aminés, et dépend du (p)ppGpp.
• De grandes augmentations de (p)ppGpp sont observées en conditions limitantes, alors que l’accumulation incontrôlée est toxique pour la bactérie.

📖 8. Probiotiques et applications santé

📖 9. Résistance aux β-lactamines et sels biliaires

🔑 Notions clés & Définitions

• β-lactamases : Les enzymes de détoxification qui coupent les liaisons des β-lactamines et empêchent ainsi l’inactivation de la synthèse du peptidoglycane.
• AmpR-AmpC AmpG-AmpD : Le module régulatoire Pseudomonas aeruginosa où AmpR contrôle l’expression d’ampC à partir de signaux issus des muropeptides du peptidoglycane.
• BSH : La bile salt hydrolase qui inactive les sels biliaires en les désconjuguant, réduisant leur pouvoir antimicrobien sur les bactéries intestinales.
• Sels biliaires glyco/tauroconjugués : Des sels biliaires associés à la glycine ou à la taurine qui contribuent à la digestion et possèdent des propriétés antimicrobiennes.

📝 Points essentiels

• Chez Pseudomonas aeruginosa, en conditions basales, AmpR se fixe dans la région promotrice entre ampC et ampR et inhibe la transcription d’ampC et d’ampR.
• À chaque génération, la refragmentation du peptidoglycane produit des muropeptides qui passent par AmpG, sont digérés par AmpD et libèrent des signaux qui renforcent la répression transcriptionnelle d’ampC via AmpR.
• Après fixation des β-lactamines sur les PBP, l’accumulation de muropeptides dans le périplasme puis le cytoplasme modifie AmpR et l’amène à activer la transcription d’ampC.
• L’expression d’ampC augmente fortement la β-lactamase dans le périplasme, ce qui permet la résistance en neutralisant les β-lactamines.
• Les sels biliaires glyco/tauroconjugués sont antimicrobiens car ils perturbent les membranes, et la BSH désactive leur activité en les rompant par action enzymatique.
• Chez Listeria, le gène bsh est présent chez L. monocytogenes mais absent chez L. innocua, ce qui soutient une résistance adaptée au tractus intestinal.

💡 Astuce mémo

AmpR contrôle AmpC : muropeptides faibles = répression, muropeptides après β-lactamines = activation, puis β-lactamase élevée dans le périplasme ; BSH casse les sels biliaires pour protéger la membrane.

📖 10. Stress osmotique et protéines de stress

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaperons GroEL Hsp17 : Les chaperons sont des protéines de stress qui assistent la membrane et/ou les protéines déstabilisées lors d’un stress pour limiter des perturbations majeures.
• Choc osmotique hypo-osmotique : Le choc osmotique hypo-osmotique correspond à un milieu moins concentré en solutés, entraînant un influx d’eau dans la cellule.
• Glycine bétaïne : La glycine bétaïne est un soluté compatible majeur chez certaines bactéries, fortement soluble et accumulé à forte concentration intracellulaire.

📝 Points essentiels

• En choc hypo-osmotique, l’entrée d’eau rigidifie la paroi, qui peut supporter des pressions de l’ordre de 100 atm malgré une faible hausse du volume cellulaire.
• En choc hyper-osmotique important, l’efflux d’eau diminue le volume du cytoplasme et concentre les solutés intra-cellulaires, ce qui perturbe la physiologie et réduit la croissance.
• La réponse primaire à l’hyperosmolarité passe par l’accumulation de K+, qui agit comme osmoprotecteur à court terme chez Listeria monocytogenes face au NaCl.
• La réponse secondaire durable repose sur des solutés compatibles accumulés via synthèse endogène et/ou transport, avec la glycine bétaïne comme soluté majoritaire dans ce contexte.
• Chez Listeria monocytogenes, le facteur sigmaB coordonne la réponse osmotique en pilotant la transcription des gènes des transporteurs de solutés compatibles.

💡 Astuce mémo

Hyper-osmose = d’abord K+ (rapide), puis solutés compatibles comme glycine bétaïne (durable) sous contrôle sigmaB.

📖 11. Réponse stringente et biofilms

🔑 Notions clés & Définitions

• (p)ppGpp : Modulateurs nucléotidiques du stress qui s’accumulent lors de carence nutritionnelle et reprogramment transcription et traduction.
• Biofilms : Mode de vie en communauté où les cellules adhèrent et deviennent plus résistantes aux contraintes que les cellules planctoniques.
• SSI-1 (Listeria) : Îlot de survie lié à la formation de biofilms et associé à la persistance des souches.

📝 Points essentiels

• La réponse stringente est activée par la carence en nutriments, avec notamment une forte stimulation par la privation en acides aminés et par la baisse de disponibilité en acides gras.
• La carence en acides aminés se traduit par l’accumulation d’ARNt non chargés qui activent RelA, augmentant la synthèse de (p)ppGpp lorsque la traduction est bloquée.
• Le (p)ppGpp se lie à l’ARN polymérase en deux zones (site 1 entre β′ et ω, site 2 près de β′ avec un site dépendant de DksA) pour modifier l’expression des gènes.
• Au niveau traductionnel, la réponse stringente empêche la formation du complexe d’initiation (IF2), bloque l’incorporation des ARNt chargés via l’action sur EF-Tu/EF-G et inhibe le recyclage des ribosomes (RF1, RF2, RF3).
• Les biofilms augmentent la résistance des bactéries au stress, et chez Listeria l’îlot SSI-1 est relié à la formation de biofilms et à la persistance des souches.
• Chez Oenococcus oeni, des cellules issues de biofilms conservent après décrochement le phénotype associé aux gènes de stress surexprimés lors des conditions de stress.

💡 Astuce mémo

Carence AA → ARNt non chargé → RelA fabrique (p)ppGpp : l’ARN pol change de cibles et la traduction se met en pause; biofilms = mode survie plus résistant.

📊 Tableaux de synthèse

Adaptation au stress osmotique

Propriétés des bactériocines (classes)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre reclassification (genre Lactobacillus en 2020) et changement des noms d’espèces : seules les espèces conservent leurs noms, pas le genre.
2. Croire que la nutrition azotée des LAB commence par le transport : en réalité elle suit protéolyse extracellulaire puis transport peptides/AA, puis protéolyse intracellulaire.
3. Inverser les conséquences homo/heterofermentaires : homofermentaires → acidification/↓pH sans gaz, hétérofermentaires → gaz et risque d’altérations organoleptiques.
4. Mélanger réponse stringente et réponse osmotique : la stringente dépend de (p)ppGpp et de la privation en nutriments (AA/AA-graisses), pas d’une simple variation de NaCl.
5. Penser que la glycine bétaïne est une réponse uniquement “transportée” : elle peut aussi être synthétisée (synthèse endogène) et doit être très soluble, accumulée fortement dans le cytoplasme.
6. Croire que les LAB probiotiques colonisent durablement : elles ne colonisent pas de façon permanente, action en transit avec effets pouvant rester via métabolites/propriétés postbiotiques.
7. Se tromper sur BSH : ce n’est pas une simple “inactivation” chimique spontanée, c’est une enzyme qui désconjugue/désactive les sels biliaires (et Listeria monocytogenes l’a, L. innocua ne l’a pas).

✅ Checklist Examen

1. Identifier ce qui change et ce qui ne change pas lors de la reclassification de Lactobacillus (2020), et citer l’espèce type qui conserve le nom de genre Lactobacillus.
2. Décrire 3 niches (rhizosphère, plantes/légumes crus, aliments fermentés traditionnels, muqueuses) en donnant les ordres de grandeur ou dominances (ex: 10¹¹ UFC/g en rhizosphère; 70–90% lactobacilles au vaginal; Streptococcus/Enterococcus en bouche).
3. Expliquer la nutrition azotée des LAB en 3 étapes dans l’ordre : protéolyse extracellulaire (subtilisines), transport peptides/AA, protéolyse intracellulaire (Pep…; régulon CodY).
4. Relier auxotrophies (4 à 20 AA non synthétisés) à l’obligation de nutrition azotée via le milieu extracellulaire.
5. Décrire les modalités de transport des peptides (ATP via 2 protéines, pore formé par 2 protéines membranaires) et le principe général du catabolisme des AA (énergie + recyclage cofacteurs + molécules aromatiques via transaminases).
6. Différencier homofermentaire et hétérofermentaire dans la fermentation des sucres (gain en ATP/lactate et présence de CO2/éthanol/acétate) et donner des exemples de genres cités.
7. Expliquer l’objectif du métabolisme du citrate pour les bactéries lactiques (notamment hétérofermentaires dans les fromages) et citer les éléments clés des systèmes d’utilisation du citrate (citrate perméase/citrate lyase/oxaloacétate décarboxylase) tels que décrits.
8. Résumer les LAB et la sécurité des produits carnés : facteurs de croissance (pH, redox, aw, NaCl, nitrites/nitrates), flore initiale citée pour les saucisses fermentées spontanées, et ce qui est recherché technologiquement (homofermentaires acidifiants).
9. Connaître les principales molécules antimicrobiennes issues des LAB dans la bioconservation (réutérine, H2O2, éthanol, diacétyle) et le lien avec la présence d’O2 ou l’origine métabolique (ex: glycérol/citrate).
10. Expliquer la biopréservation par bactériocines : production, classes et mécanismes (au moins classe I et II), et citer un exemple d’usage (starter/bioprotection/emballage).
11. Décrire les deux axes d’adaptation au stress osmotique chez Listeria (KCl court terme via K+, puis solutés compatibles à long terme avec glycine bétaïne; rôle de sigmaB).
12. Décrire la réponse stringente : signal (carence AA et baisse disponibilité AA/privations), rôle des ARNt non chargés et RelA, cibles de (p)ppGpp sur l’ARN polymérase (site 1/site 2 avec DksA), et principaux effets traductionnels (bloc IF2;