Taxonomie

Morphologie de Propionibacterium freudenreichii analysée au microscope électronique à balayage en condition standard (a) ou de stress acide (b) (Photo INRA)

Les Propionibactéries sont Gram +, non mobiles, non sporulantes, anaérobies à aérotolérantes, de formes variées (coccoïdes, bifides ou branchées) et mésophiles. Elles appartiennent à la classe des Actinobactéries (à contenu élevé en GC) et à l'ordre des Actinomycetales. Le genre Proponibacterium est divisé en propionibactéries " cutanées " et " laitières ". La souche séquencée est la souche type CIP103027 de Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii possède un chromosome circulaire d'environ 2.5 Mb (Gautier et al. 1992) et un contenu en GC de 67 %. L'espèce P. freudenreichii appartient au groupe des bactéries propioniques laitières, sa croissance est optimale à 30°C en anaérobiose et elle forme des colonies de couleur crème sur milieu gélosé contenant du lactate et de l'extrait de levure en 5 à 6 jours.

Niche écologique
Les propionibactéries laitières sont couramment trouvées dans le lait et les produits laitiers, mais elles ont également été isolées du sol, de l'ensilage, de la saumure de fermentation des olives et des distilleries de rhum (Cummins & Johnson, 1986).

Propionibacterium freudenreichii dans l'emmental (Photo INRA)

Activité dans le fromage
P. freudenreichii est essentielle comme levain d'affinage dans la fabrication de l'emmental. Les propionibactéries se développent pendant l'affinage en cave " chaude " (24°C) et fermentent le lactate en acétate, propionate et CO2 avec un métabolisme original (Meurice et al. 2004). Le propionate et l'acétate contribuent à la saveur de noisette et douce du fromage, tandis que le CO2 est à l'origine de la formation des ouvertures caractéristiques de ce type de fromage (Langsrud & Reinbold, 1973). Leur implication dans la protéolyse est faible par rapport aux bactéries lactiques ensemencées (Gagnaire et al. 2001). En revanche, P. freudenreichii joue un rôle important dans la formation de composés d'arôme variés: acides gras libres issus de la lipolyse et composés ramifiés dérivés du catabolisme de l'isoleucine et de la leucine (Thierry et al., 2005). L'activité lipolytique des propionibactéries est 100 fois plus élevée que celle des bactéries lactiques (Dupuis et al., 1993). Les lipases et estérases des propionibactéries sont un des sujets phares de l'équipe de microbiologie de l'UMR STLO.

Activités probiotiques

Emmental, première production française de fromage, environ 250 000 tonnes par an, environ 1 milliard de cellules vivantes de Propionibacterium freudenreichii par gramme (Photo INRA)

Le potentiel probiotique de ces bactéries fait l'objet d'un intérêt récent et grandissant. Elles produisent de la vitamine B12 et inhibent la microflore indésirable en libérant des acides organiques et des bactériocines dans les aliments fermentés.
Il a été montré qu'elles modulent de manière bénéfique la flore colique des animaux (Perez Chaia et al. 1999) et de l'homme (Bougle et al., 1999), principalement en favorisant la population indigène bifide. Chez les ruminants, elles permettent une meilleure exploitation du fourrage et stimulent la croissance (Mantere-Alhonen, 1995). Elles s'adaptent efficacement aux stress digestifs (Jan et al. 2001a ; Leverrier et al., 2003), restent vivantes dans le tractus digestif humain (Jan et al., 2001b) et adhèrent aux cellules épithéliales ainsi qu'au mucus de l'intestin (Zarate et al., 2002/a> ; Ouwehand et al., 2002). Des travaux récents de l'UMR STLO explorent leur rôle potentiel dans la prévention du cancer colique. Ceci repose sur leur capacité à diminuer les activités enzymatiques impliquées dans la carcinogenèse (Perez Chaia et al., 1999) et à induire l'apoptose de cellules d'adénocarcinome colorectal grâce à leurs acides gras à courte chaîne agissant sur les mitochondries des cellules cancéreuses (Jan et al., 2002). L'UMR STLO concentre ses recherches probiotiques sur ce dernier sujet.

Interaction entre colonocytes humains en culture (Caco-2) et bactérie propionique laitière (Propionibacterium freudenreichii) observée au microscope électronique à balayage. (Photo INRA)

Investigations en cours et futures

• Organisation du génome
• Annotation complète du génome
• Génomique comparative avec Propionibacterium acnes (espèce cutanée pathogène)
• Développement de puces à ADN
• Développement d'outils génétiques
• Diversité des lipases, estérases, exopolysaccharides, des mécanismes d'adaptation aux stress (biliaire, acide, salé, épuisement du milieu en substrat) chez les souches de la collection par des approches génomiques, transcriptomiques et protéomiques.

Protéome de Propionibacterium freudenreichii analysé par électrophorèse en condition standard (a) ou de stress acide (b) (Photo INRA)

References

• Bougle D, Roland N, Lebeurrier F, Arhan P (1999) Effect of propionibacteria supplementation on fecal bifidobacteria and segmental colonic transit time in healthy human subjects. Scand.J.Gastroenterol. 34:144-148
• Cummins CS and Johnson JL (1986) Genus I. Propionibacterium Orla-Jensen 1909. Pages 1346-1353 in Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. P. H. A. Sneath, N. S. Mair, M. E. Sharpe, and J. G. Holt, ed , Baltimore.
• Dupuis C, Corre C, Boyaval P (1993). Lipase and esterase activities of Propionibacterium freudenreichii subsp. freudenreichii. Appl. Environ. Microbiol. 59:4004-4009.
• Gagnaire V, Thierry A, Léonil J P (2001) Propionibacteria and facultatively heterofermentative lactobacilli weakly contribute to secondary proteolysis of Emmental cheese. Lait. 81 339-353.
• Gautier M, de Carvalho A, Rouault A (1992). DNA fingerprinting of dairy propionibacteria strains by pulsed-field electrophoresis. Curr. Microbiol. 32 :17-24
• Jan G, Belzacq AS, Haouzi D, Rouault A, Metivier D, Kroemer G, Brenner C (2002) Propionibacteria induce apoptosis of colorectal carcinoma cells via short-chain fatty acids acting on mitochondria. Cell Death Differ. 9:179-188
• Jan G, Leverrier P, Pichereau V, Boyaval P (2001a) Changes in protein synthesis and morphology during acid adaptation of Propionibacterium freudenreichii. Appl.Environ.Microbiol. 67:2029-2036
• Jan G, Leverrier P, Roland N (2001b) Survival and beneficial effects of propionibacteria in the human gut: in vivo and in vitro investigations. Lait. 82:131-144
• Langsrud T and Reinbold GW (1973) Flavor development and microbiology of Swiss cheese- A review. III. Ripening and flavor production. J. Milk Food Technol. 36:593-609.
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• Mantere-Alhonen S (1995) Propionibacteria used as probiotics - A review. Lait 75:447-452
• Meurice G, Jacob D, Deborde C, Chaillou S, Rouault A, Leverrier P, Jan G, Thierry A, Maillard MB, Amet P, Lalande M, Zagorec M, Boyaval P, Dimova D. (2004) Whole genome sequencing project of a dairy Propionibacterium freudenreichii subsp shermanii genome: progress and first bioinformatic analysis. Lait. 84 :15-24.
• Ouwehand AC, Suomalainen T, Tolkko S, Salminen S (2002) In vitro adhesion of propionic acid bacteria to human intestinal mucus. Lait. 82:123-130
• Perez Chaia A, Zarate G, Oliver G (1999) The probiotic properties of propionibacteria. Lait. 79:175-185
• Thierry A., Maillard MB, Richoux R., Kerjean JR, Lortal S (2005) Propionibacterium freudenreichii strains quantitatively affect production of volatile compounds in Swiss cheese. Lait. 85:57-74.
• Zarate G, Morata D, Chaia AP, Gonzalez SN (2002) Adhesion of dairy propionibacteria to intestinal epithelial tissue in vitro and in vivo. J Food Prot. 65:534-539