Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

Dans le monde de la science alimentaire, une partie des travaux les plus importants se déroule dans le royaume invisible des bactéries. Lors de la fabrication de fromages traditionnels comme le Gouda ou le Cheddar, les producteurs s'appuient sur des cultures de démarrage : des mélanges d'organismes microscopiques qui transforment le lait en fromage solide et créent sa saveur distinctive. Depuis plus d'un siècle, ces cultures sont maintenues en vie et transmises de lot en lot, une pratique appelée utilisation de démarrage « non défini » car le mélange exact de bactéries à l'intérieur n'est pas totalement connu ou contrôlé. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que ces mélanges sont plus complexes qu'ils n'en ont l'air, cachant une vaste gamme de différentes souches bactériennes qui travaillent ensemble pour assurer la sécurité et le goût du fromage. Comprendre cette diversité cachée est crucial car elle détermine la capacité du fromage à résister aux attaques de virus qui infectent les bactéries, appelés phages, lesquels peuvent ruiner toute une production.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de cartographier ce monde caché à l'intérieur d'une culture de départ danoise spécifique appelée Tistrup, utilisée depuis plus de cent ans. Ils savaient que le simple fait de cultiver des bactéries dans une boîte de Pétri en laboratoire pour les compter ne suffisait pas, car de nombreuses souches pourraient être manquées ou négligées. Au lieu de cela, ils ont combiné deux méthodes puissantes : cultiver une large collection de souches bactériennes individuelles en laboratoire et lire le code génétique de l'ensemble du mélange directement à partir de la culture, sans rien cultiver au préalable. En comparant ce qu'ils ont trouvé en laboratoire avec ce qu'ils ont trouvé dans le mélange brut, ils ont découvert que la communauté était bien plus complexe que l'une ou l'autre de ces méthodes ne pouvait le révéler seule. L'étude montre que même dans un groupe de bactéries qui semble simple en surface, il existe une couche profonde de variété génétique qui permet à la communauté de survivre et de prospérer.

Les chercheurs ont commencé par examiner la culture Tistrup, qui est dominée par seulement quelques espèces de bactéries, principalement Lactococcus cremoris et Lactococcus lactis. Comme il y a peu d'espèces, ils s'attendaient à ce que les différences génétiques entre les bactéries individuelles soient minimes. Cependant, lorsqu'ils ont séquencé l'ADN de 111 souches bactériennes distinctes qu'ils avaient cultivées en laboratoire et les ont comparées aux données génétiques du mélange complet, ils ont découvert une complexité cachée surprenante. Les deux méthodes ne se sont pas contentées de s'accorder sur les mêmes bactéries ; elles ont trouvé des parties différentes de la population. Les souches cultivées en laboratoire ne représentaient qu'une fraction de la diversité présente dans la culture, tandis que la lecture génétique directe du mélange révélait de nombreuses lignées que les méthodes de laboratoire avaient totalement manquées.

L'une des découvertes les plus frappantes concernait les parois cellulaires de ces bactéries. La surface extérieure d'une bactérie est recouverte d'un revêtement sucré appelé polysaccharide de paroi cellulaire, qui agit comme une serrure spécifique que les virus utilisent pour entrer et infecter la cellule. Les chercheurs ont découvert que le type de revêtement sucré le plus courant dans la culture, constituant près de trente pour cent de la population, était totalement absent des bactéries qu'ils avaient cultivées en laboratoire. Cela signifie que les bactéries les plus abondantes dans la culture étaient celles que les scientifiques n'avaient pas réussi à cultiver, laissant une partie majeure de la communauté invisible pour les méthodes traditionnelles. Les bactéries cultivées en laboratoire portaient principalement des versions différentes et moins communes de ce revêtement sucré, suggérant que les conditions utilisées pour les cultiver en laboratoire favorisaient un groupe spécifique et moins dominant.

Au-delà des parois cellulaires, les chercheurs ont examiné d'autres caractéristiques génétiques qui aident les bactéries à se défendre contre les virus. Ils ont étudié la présence de virus qui se cachent à l'intérieur de l'ADN bactérien, connus sous le nom de prophages, ainsi que les divers systèmes de défense que les bactéries utilisent pour combattre les attaques. Ils ont constaté que ces outils de défense étaient combinés de multiples façons parmi les différentes souches. Même les bactéries qui semblaient presque identiques dans leur code génétique de base possédaient des ensembles différents de systèmes de défense et de virus cachés. Cette variété agit comme un bouclier pour la communauté : si un virus attaque un type de bactérie, d'autres dotées de défenses différentes peuvent survivre et poursuivre le processus de fabrication du fromage. L'étude a montré que cette diversité défensive était bien plus grande que ce que l'on pouvait observer en examinant simplement les souches cultivées en laboratoire.

L'équipe a également étudié les éléments génétiques mobiles, qui sont de petites boucles d'ADN appelées plasmides que les bactéries peuvent s'échanger entre elles. Ces plasmides transportent souvent des gènes essentiels à la fabrication du fromage, tels que ceux nécessaires pour digérer le sucre du lait ou décomposer les protéines. Les chercheurs ont découvert que ces plasmides étaient également très diversifiés et étaient portés par différentes souches dans différentes combinaations. En utilisant une technique spéciale qui lit les marques chimiques sur l'ADN, ils ont pu lier de nombreux de ces plasmides aux bactéries spécifiques qui les transportaient, même lorsque ces bactéries n'étaient pas cultivées en laboratoire. Cela leur a permis de voir que le même plasmide pouvait se trouver dans différentes espèces, circulant entre elles et propageant des traits importants à travers la communauté.

L'étude conclut que la complexité de ce démarreur laitier ne réside pas seulement dans le fait d'avoir de nombreuses espèces différentes, mais dans le vaste nombre de différentes combinaisons génétiques existant au sein de seulement quelques espèces. Les chercheurs ont constaté qu'aucune méthode unique, qu'il s'agisse de cultiver des bactéries en laboratoire ou de lire l'ADN de l'ensemble du mélange, ne pouvait capturer l'image complète. Les méthodes de laboratoire manquaient les souches les plus abondantes, tandis que la lecture directe de l'ADN ne pouvait pas toujours déterminer quelle souche spécifique transportait quel gène. Ce n'est qu'en combinant les deux approches qu'ils ont pu commencer à percevoir la véritable étendue de la diversité. Cette variété cachée, impliquant les parois cellulaires, les systèmes de défense et l'ADN mobile, confère à la communauté une capacité robuste à résister aux attaques virales et à maintenir la qualité du fromage. Les résultats suggèrent que la résilience de ces démarreurs traditionnels provient d'une diversité combinatoire profonde qui reste largement cachée à moins que les scientifiques n'examinent la communauté à travers de multiples prismes.