Propagation de communautés bactériennes : modelage, stabilisation et sélection pour la biopréservation

Propagation of bacterial communities : shaping, stabilization and selection for biopreservation

• Auteur / Autrice : Alexis Dijamentiuk
• Direction : Frédéric Borges, Cécile Mangavel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biotechnologique et alimentaire
• Date : Soutenance le 18/07/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des biomolécules (Vandoeuvre-les-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Desmasures
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Borges, Cécile Mangavel, Marie-Christine Champomier-Vergès, Christophe Chassard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Christine Champomier-Vergès, Christophe Chassard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biopréservation

Contrôle biologique

Culture mixte (microbiologie)

Cultures microbiennes

Microflore

Mots clés libres

Ingénierie de microbiome

Systèmes de co-Culture

Propagation séquentielle

Compétition

Biopréservation

Microbiome engineering

Co-Culture systems

Sequential propagation

Competition

Biopreservation

Résumé

Les découvertes récentes sur les communautés microbiennes, ou microbiotes, ont révélé un potentiel biotechnologique considérable dans divers domaines. Ils sont considérés comme essentiels pour accélérer l'innovation dans les systèmes de production alimentaire. Toutefois, les procédés existants ne sont pas adaptés à la culture des microbiotes. La difficulté que représente la culture de microbiotes a notamment pour origine la capacité des microorganismes à interagir par compétition, qui peut conduire à la réduction indésirable de la biodiversité au sein du réacteur de culture. Ce phénomène peut aboutir à l'obtention de communautés qui ne présentent pas les fonctionnalités souhaitées. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la propagation de microbiotes en condition contrôlée sur leur structure et leur fonction. Les travaux de cette thèse ont permis de développer et de déterminer la performance d'un procédé excluant la compétition microbienne pour la culture de communautés bactériennes. La stratégie choisie repose sur le micro-confinement et la ségrégation spatiale des bactéries au sein d'un bouillon de culture structuré en émulsion inverse. Après avoir étudié l'effet de la culture en émulsion inverse sur la croissance de bactéries individuelles, les travaux ont comparé son effet sur la dynamique de communautés propagées selon un régime séquentiel, ou backslopping, avec celui exercé par un système classique non-émulsionné. Les résultats ont montré que l'utilisation d'une émulsion inverse conduit à la génération de nouvelles structures de communautés au cours de la propagation, et que l'utilisation de la culture classique conduit à leur stabilisation. Les comportements différents issus de ces deux systèmes de culture en font des outils complémentaires pour le modelage et la propagation de communautés microbiennes. Enfin, l'effet de la propagation sur la variabilité fonctionnelle de communautés a été étudiée dans un contexte de biopréservation. Le criblage de microbiotes de laits crus propagés a montré qu'ils se différenciaient en termes de robustesse et de reproductibilité de leur activité anti-Listeria, justifiant de tenir compte de la variabilité fonctionnelle des communautés pour leur sélection dans un contexte d'ingénierie de microbiotes.

Recent discoveries about microbial communities, or microbiota, have revealed considerable biotechnological potential in a variety of fields. They are considered essential to accelerate innovation in food production systems. However, existing processes are not adapted to the cultivation of microbiota. One major barrier to community propagation is competition between microorganisms, which can lead to an undesirable reduction in biodiversity within the culture reactor. This phenomenon can lead to communities that lack the desired functionality. The objective of this thesis was to study the influence of microbiota propagation, under controlled conditions, on their structure and function. During this work, a process of microbial culture excluding microbial competition for the propagation of bacterial communities was developed. The chosen strategy is based on the micro-confinement and spatial segregation of bacteria within a broth structured as an invert emulsion. The effect of the invert emulsion culture on the growth of individual bacteria was studied, then the effect of this system on the dynamics of communities propagated according to a sequential regime, or backslopping, as well as that exerted by a conventional non-emulsified system was investigated. The results showed that the use of an inverse emulsion leads to the generation of new community structures during propagation, and that the use of the classical culture leads to their stabilization. The different behaviors of these two culture systems make them complementary tools for the modeling and the propagation of microbial communities. Finally, the effect of propagation on the functional variability of communities was studied in a biopreservation context. The screening of propagated raw milk microbiota showed that they differed in terms of robustness and reproducibility of anti-Listeria activity, emphasizing the need to take into account the functional variability of communities when selecting communities of interest for microbiota engineering.