Du génome à l'application

Abstract - From genome to industrial application
The possibility to use modified microorganisms constructed by genetic engineering for food production in the next future will radically change our approach to optimize processes and improve the quality of the corresponding products. The research holding on this domain should allow the construction of strains more resistant to phage attack, producing new molécules (e.g. beneficial for health) or modified for their metabolism (growth, production of metabolites, resistance to stress, etc). The construction of such strains can be achieved by genetic engineering, either by modifying a pathway, or by expressing new genes. The engineering of known pathways allowed the development of new process and some of them are technically ready to be applied in the industry. For example, the expression of the anabolic acetolactate synthase, the inactivation of the LDH or of the acetolactate decarboxylase lead to the redirection of pyruvate to diacetyl instead of lactate. This might lead lo a 10-fold increase in diacetyl production, and there are still some possibilities of improvement. Another project of metabolic engineering that is quite advanced. is the modification of proteolysis in Lactococcus lactis, including the degradation of casein, peptides and amino acids. Most genes involved in the assimilation of proteins have been characterized (cell-wall protease. peptides transporters, and peptidases). Isogenic strains with different level of peptidase activities are built in order to improve peptidolysis or change the pattern of its product. In addition to the modification of already existing pathways, the introduction of new pathways in a cell could brighten the metabolic possibilities of bacteria and lead to the construction of new strains, producing new aroma for example. Building a new pathway generally requires the expression of heterologous genes. However. the certitude that a gene is absent supposes that there is an exhaustive knowledge of the bacterial genome, as some genes may be cryptic or uninduced under the conditions tested in the laboratory. Although the important progresses in the research related to lactic acid bacteria in the last years, only few pathways have been well characterized, covering, in terms of genetic information, a small percentage of the real metabolic possibilities. The size of the chromosome of most lactic acid bacteria is usually 1.8-3.4 Mb, about the half of the one of Escherichia coli, Bacil-lus subtilis and of some soil bacteria which have broad metabolic possibilities. On the other side, it is 4-5 fold the size of the smallest known genome, suggesting that the metabolic potentialities of lactic acid bacteria are underestimated. An investigation of data present in databases shows that only 6% of the genome of L. lactis are available. These data cover genes involved in amino acids and base biosynthesis (33%), degradation of peptides (17%). carbon catabolism ( 16%), stress responses ( 13%) and the remaining genes are related to the cell machinery (ribosome, replication, secretion, etc). The real potentialities of these bacteria remain to be estimated and exploited. © Inra / Elsevier, Paris.

Résumé - La possibilité d'utiliser prochainement des micro-organismes perfectionnés par des modifications génétiques construites in vitro changera profondément les approches d'amélioration des procédés et des produits qui en découlent. Les recherches actuelles dans le domaine des bactéries lactiques devraient permettre de créer des souches plus résistantes aux phages, productrices de molécules nouvelles (à effet santé par exemple) ou bien modifiées pour leur métabolisme (croissance, production de métabolites, résistance aux stress...). L'ingénierie métabolique permet de construire ce type de souches, soit en modifiant des voies préexistantes, soit en introduisant l'ensemble des gènes nécessaire à l'expression de nouvelles voies. La modification de voies connues a permis de développer des procédés dont certains sont techniquement prêts à être appliqués au niveau industriel comme des souches qui surproduisent environ 10 fois le diacétyle. Un autre projet d'ingénierie métabolique très avancé vise à modifier la proiéolyse, depuis la dégradation de la caséine jusqu'à la libération de peptides non utilisés et d'acides aminés, dont certains seraient impliqués dans la génération de composés aromatiques. Au-delà de la modification de voies préexistantes, l'introduction de nouvelles voies dans la cellule pourrait élargir les possibilités de construire des souches ayant des propriétés particulières, comme la production de nouveaux arômes. Il est en général admis que l'introduction d'une nouvelle voie nécessite l'expression de gènes étrangers à l'espèce dans l'hôte. Ce postulat suppose cependant une connaissance exhaustive des capacités métaboliques des bactéries. Malgré le travail considérable réalisé ces dernières années sur les bactéries lactiques, seules quelques voies métaboliques sont connues. Elles ne représentent, en terme d'information génétique, qu'une fraction minime des capacités potentielles de ces bactéries. Le chromosome des bactéries lactiques a une taille de 1,8 à 3,4 Mb, c'est-à-dire environ la moitié de celui de quelques bactéries du sol aux capacités métaboliques " étendues " et quatre à cinq fois la taille du plus petit génome bactérien connu. Un recensement récent de nos connaissances génétiques chez les lactocoques montre que seulement 6 % des informations ont été décryptées. Les potentialités réelles de ces bactéries restent donc à être estimées... et exploitées. © Inra / Elsevier, Paris