Le fromage est un aliment de base consommé dans de nombreuses régions du monde. Il est apprécié pour son goût et de son utilisation multiple en cuisine. Ces propriétés sont liées à la fonction d'un grand nombre de microbes. Mais ce sont avant tout les microbes qui rendent le lait conservable pendant de longues périodes. Pour ce faire, les microbes consomment rapidement le sucre prédominant (lactose) et acidifient ainsi l'environnement. Cela le rend inutilisable pour de nombreux autres microbes néfastes ou pathogènes. Bien que cette tâche puisse sembler simple, les microbes présents dans le fromage sont devenus collectivement très efficaces dans ce domaine. Ces communautés microbiennes sont utilisées avec succès pour la fabrication du fromage depuis des siècles. Pourtant, nous ignorons en grande partie leur diversité et leur fonctionnement exacts. Dans cette thèse, j'ai étudié les communautés bactériennes utilisées pour la production des trois principales variétés de fromage suisse. Nous avons vu que ces communautés sont constituées de quelques espèces bactériennes et d’un nombre de souches différentes. De plus, les souches montrent des capacités très similaires, importantes dans la fabrication du fromage, comme la production d'arômes ou l'acidification. Cela pourrait expliquer pourquoi la production de fromage est stable et reproductible. En même temps, l'environnement du fromage est sujet à des infections virales pour les bactéries, appelées infections à bactériophages. Pour se défendre, les bactéries disposent d'un large arsenal de mécanismes de défense différents. Nous avons observé que dans les communautés associées aux fromages, ces mécanismes de défense sont très variables et s'échangent facilement. Ainsi, les espèces bactériennes et l'ensemble de la communauté peuvent faire face à différentes infections par des bactériophages. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que les ferments lactiques de fromage trouvées dans les variétés de fromage Suisse sont des communautés simples et reproductibles. Elles sont façonnées par leur longue histoire de croissance dans le lait et le fromage. Nos résultats permettront de mieux comprendre la fabrication du fromage et contribueront ainsi à la production durable de fromages sûrs et savoureux.
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Cheese starter cultures contain simple and stable bacterial communities. They are essential for the production of cheese and have unique characteristics that can teach us about the evolution and ecology governing microbial communities in nature. In my thesis, I studied genomic and functional aspects of undefined cheese starter cultures used for the production of three traditional Swiss hard cheese varieties. Specifically, I asked three distinct questions, each of which I addressed in a separate results chapter.
(i) What is the compositional and genomic diversity of 11 cheese starter cultures used for the production of Swiss hard cheese and do we find signs of domestication in these starter cultures? By using strain-resolved shotgun metagenome sequencing and comparative genomics of isolate genomes, we showed that cheese starter cultures are composed of only three species and very few strains. The genomes of individual strains showed signs of genome reduction. Moreover, all species grew significantly better in the presence of another than alone. These changes are all likely consequences of the repeated passaging of these communities in stable and contained environments and highlight the imprint of domestication on these communities.
(ii) What is the driver of strain co-existence within the cheese starter cultures? We studied the cheese starter cultures over a production span corresponding to 82 years of cheesemaking. We thereby discovered that the bacterial strains within a cheese starter culture are functionally redundant for cheese-relevant phenotypic properties but highly divergent in their phage defense mechanisms. Moreover, we observed a persistent phage infection over the entire sampling period, indicating that phages may play a crucial role in the maintenance of the microbial diversity.
(iii) What is the phage defense repertoire of cheese-associated bacteria? Phages are abundant in starter cultures and can interfere with cheese production by selective killing of susceptible abacterial strains and even community collapse. We therefore explored our genomic datasets to identify the capacity of cheese-associated bacteria to defend themselves against phages and to catalogue previous encounters with phages by characterizing the CRISPR spacer repertoires. We identified extensive standing genetic diversity, rapid turnover and selection of innate phage defense mechanisms and CRISPR-Cas systems in cheese-associated communities. These observations mean that the genomes and communities are likely under continuous challenge by phage infections, even if they seem phenotypically stable.
Taken together, our in-depth analysis and findings in the context of cheese starter cultures have broader implications for the understanding of simple microbial communities, the interactions governing them and for the rational design of robust synthetic microbial communities for use in biotechnology and the food industry.
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Les communautés microbiennes simples et reproductibles qui persistent dans les ferments lactiques de fromage peuvent nous renseigner sur l'évolution et les interactions qui régissent ces communautés. Nous avons étudié la composition de la communauté de tous les principaux ferments lactiques de fromage non définis en Suisse utilisés pour la production de trois variétés traditionnelles de fromage suisse à pâte dure. La communauté ne contient que trois espèces : Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis et plus rarement Lactobacillus helveticus. Les souches prédominantes montrent des signes d'évolution adaptative récente et toujours en cours. Il est frappant de constater que les deux espèces dominantes se développent beaucoup mieux en présence l'une de l'autre. La diversité microbienne au niveau des souches est très simple, tant au sein des différents ferments lactiques qu'entre eux. Seules quelques souches ont été détectées. Ces souches n'ont pas montré de différence majeure dans leur capacité de croissance, d'acidification ou de production de substances volatiles. Cela corrobore la stabilité observée depuis longtemps dans les données phénotypiques archivées. Cependant, les souches diffèrent largement et divergent rapidement dans les régions de résistance aux phages. Pour un système de défense particulier contre les phages, le système CRISPR, nous avons observé un renouvellement important et rapide ainsi qu'une sélection positive pour les spacers CRISPR ciblant les phages actifs. Globalement, cela suggère que les phages jouent un rôle majeur dans ces communautés. En effet, nous avons détecté une infection phagique chronique persistante dans un ferment depuis les années 1990. Par conséquent, nous soutenons que les infections phagiques sont un élément commun des ferments lactiques de fromage dont les implications doivent être étudiées plus en détail. Les interactions microbe-microbe et phage-microbe sont notoirement difficiles à étudier avec la complexité croissante d’une communauté, typique des communautés naturelles. Ainsi, nos ferments lactiques de fromage naturels et non définis présentent de nombreux avantages étant donné leur simplicité, leur contrôlabilité, leur reproductibilité et la possibilité de transposer les connaissances acquises à d'autres systèmes. Nos résultats peuvent avoir des implications pour la compréhension des communautés microbiennes et la conception de communautés synthétiques robustes utilisées en biotechnologie et dans l'industrie alimentaire.