Analyse intégrative de la disponibilité du fer sur le métabolisme et la dynamique des interactions entre Hafnia alvei et Brevibacterium aurantiacum

Integrative analysis of iron availability on metabolism and interaction dynamics of Hafnia alvei and Brevibacterium aurantiacum

• Auteur / Autrice : Rina Mekuli
• Direction : Sophie Landaud, Dominique Swennen, Sarah Chuzeville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 30/06/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....) - Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering / SayFood
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Communautés microbiennes alimentaires
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Le henaff le marrec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Cunrath, Thibault Nidelet, Matthieu Jules, Frédéric Barras, Marie-Christine Champomier-Vergès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Cunrath, Thibault Nidelet
• DOI : 10.70675/b7256892z2c64z4fe9za67dz64c7534a809a

Mots clés

Mots clés libres

Fer

Bactéries d'affinage

Interactions microbiennes

Multi-Omiques

Modèle métabolique à l'échelle du génome

Iron

Ripening bacteria

Microbial interactions

Multi-Omics

Genome-Scale metabolic model

Résumé

Le fer est un micronutriment essentiel pour la plupart des micro-organismes, il joue un rôle déterminant dans diverses voies métaboliques. Il constitue souvent un facteur limitant dans divers écosystèmes, telle que la surface du fromage. Cela en fait un modèle de choix pour étudier les réponses des micro-organismes d'affinage à la disponibilité du fer, qui permettra une compréhension plus large du métabolisme microbien. Pour s'adapter à l'environnement limité en fer, certaines bactéries synthétisent des molécules à forte affinité pour le fer, appelées sidérophores. Ces sidérophores peuvent être partagés entre les micro-organismes, impliquant de nombreux types d'interactions. Nous avons étudié l'effet de la disponibilité du fer pour deux bactéries d'affinage en monoculture et en coculture, en utilisant un milieu synthétique qui mime les conditions d'affinage de fromages.Nous avons d'abord sélectionné cinq souches isolées de fromage ayant des capacités variables de synthèse de sidérophores - Hafnia alvei, Brevibacterium aurantiacum, Corynebacterium casei, Staphylococcus equorum, et Glutamicibacter arilaitensis - et nous avons étudié leur température optimale et l'effet de la disponibilité en fer sur leur croissance. Dans tous les cas une inhibition par la limitation en fer a été observée.Nous avons ensuite sélectionné deux souches pour une analyse plus approfondie : H. alvei et B. aurantiacum. Ces souches ont été cultivées individuellement dans deux conditions de fer : l'une limitée en fer et l'autre riche en fer. Des données transcriptomiques, protéomiques et métabolomiques ont été acquises et une analyse comparative a été effectuée pour évaluer le rôle du fer dans leur physiologie. La réduction de la disponibilité en fer a entraîné une modification du métabolisme des deux souches, affectant à la fois le métabolisme central et le profil du volatilome.Nous avons ensuite effectué et comparé aux monocultures des cocultures des deux souches dans les mêmes conditions, en ayant acquis les mêmes types de données ; afin d'évaluer si la disponibilité en fer influençait leur dynamique d'interaction. Nous avons confirmé que H. alvei bénéficie de l'activité protéolytique de B. aurantiacum, et que sa synthèse de sidérophores a un effet bénéfique sur la croissance de B. aurantiacum. De plus, il est intéressant de noter que cette synthèse de sidérophores a été réduite dans la coculture, probablement en raison de la présence de B. aurantiacum en tant qu'opportuniste. En outre, la putrescine a été identifiée comme un métabolite de co-alimentation potentielle, B. aurantiacum la synthétisant et H. alvei l'utilisant comme source d'énergie.Enfin, nous avons développé un modèle métabolique à l'échelle du génome pour l'une des souches, H. alvei. Les cofacteurs du fer sont généralement sous-représentés dans ces modèles. Nous avons intégré des clusters fer-soufre dans le réseau métabolique, ce qui permet d'analyser les distributions de flux dans les réactions nécessitant du fer dans différentes conditions de simulation.L'ensemble de ces résultats met en évidence la façon dont la disponibilité en fer influence à la fois les métabolismes individuels et les interactions microbiennes dans un environnement limité en fer. En intégrant des analyses multi-omiques et en développant un modèle métabolique qui tient compte des cofacteurs du fer, cette étude fournit un cadre complet pour comprendre l'adaptation microbienne et la coopération à la surface du fromage, avec des implications plus larges pour l'écologie microbienne dans les écosystèmes à teneur limitée en fer.

Iron is an essential micronutrient for most microorganisms, critical in diverse metabolic pathways. However, it often acts as a limiting factor across various ecosystems. One such environment is the cheese surface, where the conditions are aerobic and iron-restricted. This makes it a model system to investigate the responses of ripening microorganisms to iron availability while also contributing to a broader understanding of microbial metabolism. As an adaptation to the iron-limiting environment, some bacteria synthesize high-affinity iron-scavenging molecules called siderophores. These siderophores may be shared among microorganisms, enabling the occurrence of numerous types of interactions. In this work, we aim to investigate the effect of iron availability on smear-ripened cheese bacteria alone and extend it to a coculture of two strains, using a synthetic medium that resembles late cheese-ripening conditions.First, we selected five strains isolated from smear-ripened cheese - Hafnia alvei, Brevibacterium aurantiacum, Corynebacterium casei, Staphylococcus equorum, and Glutamicibacter arilaitensis - and examined how different iron availabilities and temperatures affected their growth. Considering that these strains possess varying siderophore-synthesizing capabilities and optimal temperature ranges, culturing under different conditions led to distinct growth patterns, but overall resulted in impaired growth at lower iron concentrations.Next, we selected two strains for further analysis: H. alvei and B. aurantiacum, previously proposed to engage in cross-feeding behavior. These strains were initially cultured individually under two iron conditions: one iron-limited and the other iron-replete. Transcriptomic, proteomic, and metabolomic data were collected, and a comparative analysis was carried out to evaluate the role of iron in their physiology. Reducing iron availability resulted in an altered metabolism for both strains, affecting both central metabolism and the volatilome profile.We then cocultured the two strains under the same conditions and collected the same data as for the monocultures to assess whether iron availability influenced their interaction dynamics. We confirmed that H. alvei benefits from the proteolytic activity of B. aurantiacum, while its siderophore production improves the growth of B. aurantiacum. Interestingly, in H. alvei, siderophore synthesis was reduced in the coculture, likely due to the presence of B. aurantiacum as a cheater. Additionally, putrescine was identified as a potentially cross-fed metabolite, wherein B. aurantiacum synthesizes it and H. alvei uses it as an energy source.Finally, we developed a genome-scale metabolic model for one of the strains, H. alvei. Iron cofactors are typically underrepresented in such models. In this work, we integrated iron-sulfur clusters into the metabolic network, enabling the analysis of flux distributions in iron-requiring reactions under different simulation conditions.Together, these results highlight how iron availability influences both individual metabolisms and microbial interactions in iron-limited environments. By integrating multi-omics analyses and developing a metabolic model that accounts for iron cofactors, this study provides a comprehensive framework for understanding microbial adaptation and cooperation on the cheese surface, with broader implications for microbial ecology in iron-restricted ecosystems.