« Des microbes et des humains sur la voie lactée »

1. «  Des microbes et des humains sur la voie lactée » • Hervé Levesque, Claire Casnin : • enseignants-associés, • équipe ACCES-INRP-Versailles • Travail mené en collaboration avec l’INRA, Centre de Grignon-Massy-Versailles

2. Plan de la présentation • 1- l’écosystème lait, un milieu favorable à de nombreux microbes, les uns sympathiques, les autres moins, et de fait il nous faut gérer cela ; • 2- le métabolisme du lactose, comment les bactéries font et ont appris à le faire, même question posée aux humains ; • 3- la persistance chez l’adulte de la lactase, illustration de la relation entre évolution génétique des populations humaines et culture, « nous devenons ce que nous mangeons… ou presque ».

3. « Des microbes et des humains sur la voie lactée » • 1- l’écosystème lait, un milieu favorable à de nombreux microbes, les uns sympathiques, les autres moins, et de fait il nous faut gérer cela : • -a- le lait n’est pas un milieu naturellement stérile; • -b- la diversité des produits laitiers, un prodige microbien…

4. Définir le lait • Le lait est un liquide biologique dont la composition chimique montre la présence des différents constituants habituellement rencontrés chez les êtres vivants : eau, ions minéraux, gaz dissous, molécules organiques diverses dont glucides (le lactose principalement), lipides simples et complexes, acides aminés et protéines, vitamines, éventuellement hormones, nucléotides, etc.

5. Définir le lait • Des grandes familles des molécules organiques, seuls les polymères d’acides nucléiques et les sucres complexes ne sont pas représentés ce qui s’accorde avec leur caractère peu soluble et encombrant rendant leur transport difficile, le lait étant avant tout un liquide nourricier et circulant. • La présence de toutes ces catégories de constituants chimiques explique pourquoi le lait est un bon aliment. • Et pourquoi il se contamine facilement!

6. « Des microbes et des humains sur la voie lactée » -a- Le lait n’est pas un milieu naturellement stérile

7. Justifier le terme écosystème • Le lait est donc un milieu avec un ensemble de caractéristiques chimiques particulières mais il comporte aussi tout un riche cortège de cellules d’organismes variés, cellules de l’organisme maternel ainsi que des cellules des microorganismes qui y sont naturellement présents. • Lorsque le lait fait l’objet d’une collecte, d’autres sources de contamination sont possibles ne serait-ce qu’au contact de l’air.

8. Le lait n’est pas un milieu stérile! La mère transmet à son petit des microbes qui coloniseront son tube digestif En outre des constituants importants du lait (les oligosaccharides) ne sont pas transmis pour nourrir l’enfant mais les microbes que maintenant il héberge…

9. http://ffhi.ucdavis.edu/prog/fg/proj/im • Infant Microbiome Project   • Oligosaccharides are the third most abundant solid component in human milk after lactose and lipids, yet these molecules are indigestible to the human infant because they lack the enzymes to break them down. Instead, oligosaccharides in milk deliver materials to resident gastrointestinal microbiota. The relationship of gastrointestinal bifidobacteria, particularly the Bifidobacterium infantis, their infant host, and milk provides a fascinating example of co-evolution. The aim of the Infant Microbiome Project is to determine how milk-derived oligosaccharides serve as prebiotics, promoting the growth and activity of beneficial colonic bacteria enriched in the gut of breastfed infants, and characterize the compositional and structural aspects of milk oligosaccharides through stages of lactation and as a function of genetics. The long-term goals of this project are to build functional assays for the development of new prebiotic products that mimic the health-promoting properties of oligosaccharides found in human milk.

11. Contaminants du lait issud’une collecte • De nombreux microorganismes pathogènes, principalement des bactéries peuvent être présents dans le lait, le plus souvent à de seuils extrêmement bas ne posant pas de problème à un individu en bonne santé, mais parfois aussi à des niveaux élevés qui le seront d’autant plus que des règles élémentaires d’hygiène lors de la collecte et de bonne conservation n’auront pas été respectées ou pas pu être mises en œuvre.

12. Stérilisation du lait • Face au risque de contamination et au problème de conservation d’un lait issu de la traite d’une espèce domestique, différentes parades ont été recherchées par les humains dont la principale est la stérilisation, généralement par pasteurisation. • le lait pasteurisé est typiquement traité • à 72° pendant 15 secondes

13. D’autres sources de contamination à ne pas négliger…L’illustration montre deux laits différenciés par une technique de chromatographie : de telles techniques ont des applications en répression des fraudes, dans la recherche de polluants (ex. récent de la mélamine en Chine, recherche de dioxine, etc.).

14. Constater la diversité des produits issus du lait • La diversité des produits laitiers : • un prodige microbien…

15. La diversité des produits laitiers : un prodige microbien… • Mais aussi des savoir-faire industriels et artisanaux

16. Transformer le lait en yaourt

17. Transformer le lait en yaourt • Après avoir été pasteurisé, le lait est refroidi à une température de 42°C à 45°C et ensemencé avec les deux bactéries, Streptococcus thermophilus et Lactobacillus bulgaricus. Le yaourt doit ainsi contenir les deux bactériesà l'état vivant.

18. Une étape-clé :l’acidification • Les bactéries du yaourt, Lactobacillus bulgaricus et Streptococcusthermophilus (coloration au Bleu de Méthylène)

21. L’association bénéfique mais non indispensable des deux souches est qualifiée de proto-coopération

22. Un effet synergique des bactéries lactiques lors de l’acidification du lait • effet synergiq acidifica° lactobac streptococ

23. L’acidification du lait • Le lactose sucre facilement fermentescible est transformé en acide lactique à l’origine de l’abaissement du pH • Il s’agit d’un métabolisme qualifié d’homofermentaire (plus de 90% des produits de fermentation est de l’acide lactique) • Le résultat de cette acidification est d’empêcher le développement d’autres microorganismes car le milieu devenu très acide est peu favorable à la croissance de la plupart d’entre eux.

24. L’acidification du milieu est en général peu favorable à la croissance et au développement d’une majorité d’organismes vivants

25. L’acidification du lait • L’autre résultat remarquable est la coagulation du lait qui forme ainsi le caillé : le lait est devenu un solide ! • Cette transformation affecte principalement les protéines du lait, les caséines, dont les interactions sont modifiées : les charges négatives des caséines sont neutralisées par les ions H+, les micelles se rapprochent et se soudent entre elles avec des liaisons fortes et irréversibles, résultat d’interactions hydrophobes contenant dans ce réseau des globules gras, des micro-organismes, des vitamines, du calcium, etc. On obtient un gel grâce à ces interactions. On note également que le sel diminue les répulsions électrostatiques.

26. La coagulation de la caséine

28. Transformer le lait en fromage

29. Fromages : LAIT + bactéries lactiques ± présure (dose faible) + bactéries lactiques + présure Lenoir et al, 1983 COAGULATION ACIDIFICATION LACTIQUE ACTION DE LA PRESURE EGOUTTAGE LENT avec décaillage simple EGOUTTAGE EGOUTTAGE ACCELERE EGOUTTAGE par CENTRIFUGATION ou FILTRATION décaillage brassage pressage malaxage décaillage brassage cuisson pressage décaillage brassage pressage AVEC ACIDIFICATION LACTIQUE TYPES DE FROMAGES Fromages Frais PATE FERME CUITE PATE FERME NON CUITE PATE MOLLE PATE PRESSEE Moisissuresde surface moisissures de surface moisissures intérieures Croûtelavée Croûtelavée croûte lavée Ouvertures Sans ouverture Sans affinage Affinage MUNSTER MAROILLES LIVAROT SAINT-PAULAIN PORT-SALUT REBLOCHON SAINT-NECTAIRE TOME DE SAVOIE PETIT SUISSE FROMAGE BLANC DEMISEL CAMEMBERT BRIE CARRE DE L'EST CANTAL LAGUIOLE VARIETES BEAUFORT EMMENTAL BLEUS

30. Seconde étape-clé : la désacidification, l’élaboration d’un fromage • Des champignons, levures et moisissures, vont pouvoir se développer dans les conditions très acides provoquées par les bactéries lactiques et progressivement vont faire remonter le pH tout en apportant quelques notes aromatiques

31. Troisième étape-clé : l’affinage • Grâce à la désacidification qu’opère les champignons, vont pouvoir se développer dans une troisième étape (appelée « la 3e période ») les bactéries d’affinage Figure 2 : Evolution du pH dans la croûte ( ) et dans le cœur ( ) des fromages de Munster au lait cru au cours de leur affinage

32. Lenoir et coll. Pour la Science Juillet 1983

33. Une vaste diversité microbienne, de molécules, de processus physiologiques, d’organismes, de coopération entre les uns et les autres, dans l’espace et dans le temps… une leçon d’écologie!

36. L'affinage des fromages :devenir des principaux constituants du lait Vion et coll 1999, CEAV GSQ Devenir du lactose et de l'acide lactique lactose glucose + galactose voie des pentoses voie des hexoses acide lactique acétate éthanol (anaérobiose) acétate propionate Intervenants : Bactéries lactiques par leur activité fermentaire

37. « Des microbes et des humains sur la voie lactée » • 2- le métabolisme du lactose : comment les microorganismes font et ont appris à le faire ; même question posée aux humains 

38. Le métabolisme du lactose • Le lactose est un sucre dimérique constitué de deux unités, un galactose et un glucose; symbole du monde animal, c’est une invention relativement récente de l’évolution (moins de 100 millions d’années contre plus de 3 milliards d’années pour l’ensemble de l’histoire du monde vivant)

39. http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?ko00052

40. Le métabolisme du lactose • Pour tirer parti d’une molécule présente dans son environnement, un organisme (une cellule) doit : soit faire entrer cette molécule puis la transformer dans son cytoplasme, soit transformer la molécule dans l’espace extracellulaire puis faire entrer les produits de la transformation.

41. Le métabolismedu lactose • Les deux stratégies sont ici employées puisque les microorganismes (bactéries et champignons) ont recours à la première stratégie, les humains (et les autres mammifères) à la seconde.

42. La perméation du lactose • Pour la perméation du lactose, les microorganismes ont semble-t-il fait appel à différentes stratégies adaptatives car les gènes des perméases paraissent particulièrement différents lorsqu’on compare les séquences des bactéries et des champignons.

43. L’hydrolyse du lactose • L’hydrolyse du lactose est réalisée par des enzymes appelées beta-galactosidases, beta- par référence à la nature de la liaison entre les deux monomères, et galactosidase car le galactose est l’objet essentiel de la reconnaissance par l’enzyme.

44. Un gène et une enzyme, véritables stars de la biologie moléculaire • Suite au succès de l’étude de l’opéron lactose et accompagnant les premiers développements de la biologie moléculaire, l’enzyme beta-galactosidase et le gène (lacZ) qui la produit, sont devenus un des principaux outils de la biologie et la génétique moléculaires, présents dans les vecteurs de clonage, les protéines de fusion (gène rapporteur), etc.

45. Le gène de la lactase des vertébrés

46. Des séquences « codantes » et des séquences « non codantes » • Un gène à la structure morcelée : la séquence de l’ARN messager ne comporte qu’une partie de celle présente dans l’ADN

48. Le locus LCT du chromosome 2 humain http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/Gene/Summary?g=ENSG00000115850;r=2:136545410-136594750

50. « Des microbes et des humains sur la voie lactée » • 3- la persistance chez l’adulte de la lactase, illustration de la relation entre évolution génétique des populations humaines et culture, « nous devenons ce que nous mangeons… ou presque »