La nutrition microbienne

1. La nutrition microbienne

2. Objectifs de la nutrition Permettre • la synthèse et le renouvellement des molécules structurales • la synthèse et le renouvellement des molécules indispensables aux diverses activités de la cellule (enzymes, coenzymes…..) • l’approvisionnement en énergie et en pouvoir réducteur indispensables aux réactions de synthèse

3. Moyens • Synthèse des molécules utiles à partir des nutriments contenus dans le milieu • Utilisation directe des nutriments du milieu Nutriment = substance utilisée dans les réactions de biosynthèse et de production d’énergie et donc requis pour la croissance et la reproduction des microorganismes

4. Nutriments du milieu assimilés directement s’ils sont sous forme simple: oses, acides aminés, ions ou • Nutriments du milieu dégradés par des enzymes extracellulaires s’ils sont sous forme complexe (polyosides, protéines, lipides) ou • Pénètration des nutriments grâce à des porines ou des protéines de transport membranaires (perméases) puis utilisation après dégradation par des enzymes intracellulaires

5. Plan du cours 1- Les besoins nutritifs communs à tous les microorganismes 2- Les besoins nutritifs particuliers à certains microorganismes : les facteurs de croissance 3- La couverture des besoins nutritifs dans les bioindustries

6. 1- Besoins nutritifs communs à tous les microorganismes

7. 1-1- Les besoins en eau

8. 1-1-1- Raisons de la nécessité d’eau Exemple : Lactose + eau glucose + galactose • Nécessité pour les nombreuses réactions cellulaires d’hydrolyse • Nécessité comme solvant des constituants cellulaires : • eau permet le transport des nutriments du milieu de culture dans le cytoplasme et assure la disponibilité de ces constituants Paramètre rendant compte de la disponibilité de l’eau d’un milieu est l ’Aw = Activity water

9. 1-1-2- L’activité de l’eau : Aw 1-1-2-1- Définition de l’Aw Paramètre du milieu rendant compte de la disponibilité de l’eau pour participer à des réactions chimiques ou se transformer en vapeur = rapport de la pression partielle en eau d’un milieu et de celle de l’eau pure. Formule permettant de calculer l’Aw 0<Aw<1

10. 1-1-2- L’activité de l’eau : Aw 1-1-2-2- Croissance microbienne et Aw

11. Analyse des résultats du tableau • Les microorganismes se développent préférentiellement sur des milieux à forte AW, donc riches en eau libre. • L’Aw optimum : pour la plupart des bactéries est situé entre 0,91 et 0,99 pour la plupart des levures est situé aux alentours de 0,88 pour la plupart des moisissures est situé aux alentours de 0,80 • Existence de bactéries pouvant résister à des Aw faibles : bactéries halophiles bactéries xérophiles Bactéries osmophiles

12. Analyse des résultats du tableau (suite) Produits frais = aliments favorables au développement bactérien (les bactéries envahissent ces aliments préférentiellement aux autres microorganismes car se multiplient plus vite). • La majorité des produits frais ont une Aw comprise entre 0,97 et 0,96 • Dans les aliments secs : moisissures et levures sont les espèces dominantes

13. Applications pratiques de l’influence de l’Aw sur la croissance microbienne L’ abaissement de l’Aw d’un aliment conduit : - à un développement bactérien moindre, - donc à une meilleure conservation Existence de techniques de conservation des aliments dont le principe repose sur l’abaissement de l’Aw : - séchage des fruits, des légumes, de la viande… - congélation (eau sous forme de glace, donc non disponible), lyophilisation (élimination de l’eau par sublimation sous pression réduite) - mise dans huile ou graisse

14. Microorganismes halophiles : microorganismes exigeant des concentrations élevées de Nacl pour sa croissance (ex : les bactéries du genre Staphylococcus et certains Vibrio) • Microorganismes xérophiles : microorganismes se développant mieux dans des milieux ayant une faible Aw • Microorganismes osmophiles : microorganismes se multipliant de préférence dans ou à la surface d’un milieu ayant une pression osmotique élevée.

15. 1-2- Les besoins énergétiques

16. 1-2-1- Les raisons de ces besoins • Assurer la stabilité de certaines structures (ex : maintien de plus d’ions Na+ à l’extérieur et de plus d’ions K+ à l’intérieur) • Permettre les réactions de synthèse • Permettre certains transports transmembranaires • Permettre la mobilité

17. 1-2-2- Couverture des besoins en énergie Selon la source d'énergie, les bactéries se divisent en phototrophes et chimiotrophes. La source d'énergie des bactéries phototrophes est la lumière. Si la source d'électrons est - minérale, bactéries dites photolithotrophes - organique, bactéries dites photo-organotrophes. Les bactéries chimiotrophes puisent leur énergie à partir de composés minéraux ou organiques sans intervention de la lumière . Si le donneur d'électrons est - minéral, bactéries dites chimiolithotrophes - organique, bactéries dites chimio-organotrophes. 

18. 1-3- Les besoins en éléments

19. 1-3-1- Les besoins en éléments majeurs 1-3-1-1- Caractéristiques de ces besoins Ce sont des éléments nécessaires en quantités relativement importantes Ces éléments sont dits : macroéléments ou macronutriments

20. 1-3-1- Les besoins en éléments majeurs 1-3-1-2- Nature des éléments concernés C, O, H, N, S, P, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+ ou Fe3+.

21. 1-3-1- Les besoins en éléments majeurs 1-3-1-3- Causes de ces besoins - C, O, H, N, S, P utiles pour la synthèse des glucides, lipides, protéines, acides nucléiques, coenzymes, ATP….. • K+ et Na+ utiles pour • L’équilibre osmotique de la cellule • L’activité de diverses enzymes • Ca2+ utile pour • L’activité de certaines enzymes • La thermorésistance des spores • Mg2+ utile pour • L’activité de diverses enzymes (cofacteurs enzymatiques) • Diverses autres activités • Fe2+ ou Fe3+ pour • L’activité de diverses enzymes (cofacteurs enzymatiques) • Diverses autres activités (utiles pour la synthèse des protéines transporteuses d’électrons….)

22. 1-3-1- Les besoins en éléments majeurs 1-3-1-4- Couverture de ces besoins a/ Besoins en C - Les bactéries phototrophes et la plupart des bactéries chimiolithotrophes peuvent utiliser le dioxyde de carbone comme unique source de carbone et elles sont dites autotrophes. - Pour les bactéries chimioorganotrophes, la source de carbone assimilable doit être un substrat organique et ces bactéries sont dites hétérotrophes.

23. 1-3-1- Les besoins en éléments majeurs Pour la synthèse des protéines, des bases azotées et de divers coenzymes 1-3-1-4- Couverture de ces besoins b/ Besoins en N - Couverts par • des molécules minérales azotées : - N2 par quelques bactéries vivant en symbiose avec des légumineuses - NH4+ / NH3 • NO3- si la bactérie possède la nitrate réductase B qui catalyse leur réduction en NH4+ • parfois des molécules organiques azotées • acides aminés surtout • Parfois urée ou bases azotées

24. 1-3-1- Les besoins en éléments majeurs Pour la synthèse des acides aminés soufrés et de divers coenzymes 1-3-1-4- Couverture de ces besoins c/ Besoins en S - Couverts par • des ions minéraux soufrés : - SO42- • S2- pour les bactéries sulfureuses • parfois des molécules organiques soufrées • acides aminés essentiellement (cystéine et méthionine)

25. 1-3-1- Les besoins en éléments majeurs Pour la synthèse des nucléotides et de diverses autres molécules phosphorées (ATP, pyridoxal phosphate….) 1-3-1-4- Couverture de ces besoins d/ Besoins en P - Couverts par • Essentiellement des ions minéraux - H2PO4- et HPO42- • Éventuellement des molécules organiques phosphorées • esters organiques de phosphate. Le mélange HPO42- / H2PO4- sert également de système tampon.

26. 1-3-2- Les besoins en oligoéléments 1-3-2-1- Caractéristiques de ces besoins Ce sont des éléments nécessaires en quantités très faibles Ces éléments sont aussi dits : microéléments ou micronutriments

27. 1-3-2- Les besoins en oligoéléments 1-3-2-2- Causes de ces besoins - Beaucoup d’oligoéléments = cofacteurs (Zn2+ et Mn2+) utiles à la catalyse de la plupart des réactions. • Beaucoup d’oligoéléments = éléments servant au maintien de la structure des protéines. • Beaucoup d’oligoéléments = éléments servant à la synthèse de substances spécifiques (pigments, toxines, vitamines : vitamine B12…….)

28. 1-3-2- Les besoins en oligoéléments 1-3-2-3- Couverture de ces besoins Besoins couverts par les impuretés de l’eau, de la verrerie et des composants habituels des milieux de culture Impuretés suffisantes car l’apport des oligoéléments a besoin d’être en très petite quantité

29. 1-4- Les facteurs physiques

30. 1-4-1- La disponibilité en eau et la pression osmotique Voir §1-1-2 Eau : indispensable à la croissance microbienne Diminution de la concentration en eau libre (Aw) : - responsable d’une augmentation de la concentration en solutés - et donc responsable d’une augmentation de la pression osmotique que les microorganismes supportent pus ou moins bien • La plupart des bactéries ont une Aw optimale située entre 0,91 et 0,99, sauf certaines comme les Staphylococcus qui cultivent en milieux hypersalés (jusqu’à plus de 7,5% et dites halophiles) • Les levures résistent mieux : pour la plupart des levures l’Aw est située aux alentours de 0,88 - Les moisissures résistent encore mieux : pour la plupart des moisissures l’Aw est située aux alentours de 0,80

31. 1-4-2- La température1-4-2-1- Etude expérimentale Taux de croissance : nombre de multiplications par unité de temps Plus le taux de croissance est élevée, meilleure est la croissance du microorganisme

32. Analyse des résultats expérimentaux Chaque microorganisme présente : - une température minimale de croissance - une température optimale de croissance - une température maximale de croissance. Raison : sensibilité des protéines à la dénaturation thermique et notamment sensibilité des protéines enzymatiques Remarque : - l’action des températures élevées est irréversible : destruction des bactéries - l’action des températures basses est réversible : bactéries non tuées qui se multiplieront à nouveau lorsqu’elles seront remises à température optimale

33. Classification des microorganismes en fonction de leur température optimale de croissance - Microorganismes mésophiles : microrganismesayant une température optimale de croissance aux alentours de 37/40° C - Microorganismes psychrophiles : microrganismesayant une température optimale de croissance aux alentours de 20° C - Microorganismes thermophiles : microrganismesayant une température optimale de croissance entre 50 et70°C. Attention : certains microorganismes mésophiles peuvent cultiver à basses températures. Exemple Listeria : bactérie mésophile cultivant encore à 4°C, température des chambres froides positives (problème dans les industries agroalimentaires)

35. Application de l’effet de la température sur la croissance microbienne - Stabilisation d’un produit alimentaire par réfrigération, congélation ou surgélation. - Assainissement d’un produit alimentaire par : * pasteuristion (aliment porté à des températures variant selon le procédé entre 66 et 75° C) détruisant la totalité de la flore végétative mais non les spores * stérilisation (aliment porté aux alentours de 120°C pendant une vingtaine de minutes) détruisant toutes les formes végétatives, les spores, les toxines et inactivant toutes les enzymes.

36. 1-4-3- Le pH Analyse : - pH optimal de croissance d’Escherichia coli : 7 - pH optimal de croissance de Lactobacillus bulgaricus : 4,5 à 5,5 - pH optimal de croissance de Vibrio cholerae : 8,5

37. Classification des microorganismes en fonction de leur pH optimal de croissance - Microorganismes neutrophiles : microrganismesayant un pH optimal de croissance aux alentours de7 - Microorganismes acidophiles : microrganismesayant un pH optimal de croissance à des pH acides - Microorganismes basophiles : microrganismesayant un pH optimal de croissance à des valeurs basiques Application : conservation de certains aliments par mise en milieu acide

38. Conclusions

39. 1ère conclusion : rôle de chacun des constituants d’un milieu de culture Exemple : milieu 1 permettant la culture d’Escherichia coli • Glucose • Dihydrogénophosphate de potassium • Sulfate d’ammonium • Sulfate de magnésium • Sulfate de fer II • Eau distillée Source de C et d’énergie Source de P pour la synthèse des acides nucléiques, de l’ATP, de divers coenzymes et source de K+ pour l’équilibre hydroélectrique Source de S pour la synthèse des acides aminés soufrés et de divers coenzymes, source d’N pour la synthèse d’acides aminés Source de S et source de Mg2+ pour la synthèse de divers coenzymes Source de S et source d’ions Fe II pour la synthèse de divers coenzymes Solvant des constituants du milieu, substrat des réactions d’hydrolyse et solvant des constituants cytoplasmiques

40. 2ème conclusion : les diverses exigences des microorganismes par rapport aux apports nutritifs du milieu Milieu 1 • Glucose • Dihydrogénophosphate de potassium • Sulfate d’ammonium • Sulfate de magnésium • Sulfate de fer II • Eau distillée Culture d’ Escherichia coli Pas de culture de Proteus vulgaris Milieu 2 • Glucose • Dihydrogénophosphate de potassium • Sulfate d’ammonium • Sulfate de magnésium • Sulfate de fer II • Eau distillée • Nicotinamide Culture de Proteus vulgaris Analyse : Proteus a besoin pour cultiver de trouver dans le milieu de culture de la nicotinamide et non Escherichia coli car Escherichia coli sait synthétiser la nicotinamide et non Proteus Interprétation : la nicotinamide est un facteur de croissance pour Proteus qui est auxotrophe pour la nicotinamide

41. Microorganismes ayant tous les enzymes nécessaires pour la synthèse de tous leurs composés cellulaires • Certains microorganismes se développent en présence d’ions minéraux, de source d’énergie, de C, d’N, de P et de S • Certains microorganismes se développent en présence d’ions minéraux, de source d’énergie, de C, d’N, de P et de S et ont besoin en outre de facteurs de croissance Microorganismes dépourvus de certains enzymes nécessaires pour fabriquer certains composés cellulaires qu’ils ne peuvent donc pas synthétiser et qu’ils doivent donc trouver dans le milieu de culture

42. 3ème conclusion : les divers types trophiques en fonction des besoins nutritifs Les bactéries d’intérêt médical et alimentaire sont principalement des bactéries chimio-organotrophes, généralement hétérotrophes, pouvant être prototrophes ou auxotrophes. Cellule procaryote

43. 2- Besoins nutritifs particuliers à certains microorganismes : besoins en facteurs de croissance

44. 2-1- Définition

45. Facteur de croissance = molécule organique spécifique indispensable à la croissance d’un microorganisme (métabolite essentiel) qu’il ne sait pas synthétiser et qu’il doit donc nécessairement trouver dans le milieu de culture.

46. 2-2- Les diverses catégories de facteurs de croissance

47. - Des acides aminés (nécessaires pour l’élaboration des protéines cellulaires ) Ex : GLU, ALA, ASN • Des bases puriques et pyrimidiques (entrant notamment dans la composition des acides nucléiques et de l’ATP) Ex : adénine pour certains Lactobacillus uracile pour certains Streptococcus • Des vitamines : petites molécules organiques servant de coenzymes ou de précurseurs de coenzymes Ex : nicotinamide pour Proteus vulgaris et certaines souches de Staphylococcus aureus thiamine (vit B1) pour certaines souches de Staphylococcus aureus.

48. 2-3-3- Action à faible concentration • Acides aminés : de l’ordre de 25 mg/L. • Bases puriques et pyrimidiques : de l’ordre de 10 mg/L. • Vitamines : de l’ordre de 1 à 25 mg/L.

49. 2-3- Propriétés des facteurs de croissance Influence de la concentration sur la croissance Spécificité d’action Action à faible concentration

50. 2-3-1- Caractéristiques de l’influence des facteurs de croissance sur la croissance microbienne a/ Etude expérimentale Description de l’expérience réalisée • Souche : • exigeant une molécule X comme facteur de croissance, • mise en culture dans divers milieux sans cette substance X • et auquel on ajoute la substance X à diverses concentrations différentes. • Suivi de la croissance dans chacun des milieux • Détermination dans chaque cas du taux de croissance • Tracé du graphe : taux de croissance = f(concentration en facteurs de croissance)