Lait 84 (2004) 49-59
DOI: 10.1051/lait:2003040

Role of inorganic carbon in lactic acid bacteria metabolism

Florence Arsène-Ploetze and Françoise Bringel

Laboratoire de dynamique, évolution et expression de génomes de microorganismes, Université Louis-Pasteur-CNRS, FRE2326, 28 rue Goethe, 67000 Strasbourg, FRANCE

Abstract
Capnophiles are bacteria stimulated by bicarbonate and CO ₂, the two major forms of inorganic carbon (IC) in physiological neutral liquids. Capnophiles are often pathogenic heterotrophs found in IC-rich ecological niches such as human cavities. Like capnophiles, the growth of lactic acid bacteria (LAB) such as Lactobacillus plantarum and Enterococcus faecalis is stimulated by IC. CO ₂ or HCO ^-₃ are substrates in carbamoyl phosphate (CP) synthesis and other carboxylation reactions in amino acid and nucleotide biosynthesis. When media were supplemented with nucleotides and all the amino acids, potassium bicarbonate still stimulated L. plantarum growth. This suggests that IC may be involved in other aspects of L. plantarum physiology besides its implication as a substrate in carboxylation reactions. Carbonic anhydrase (CA) catalyses the hydration of CO ₂ into bicarbonate. Since inorganic carbon stimulated L. plantarum growth, we searched for CA encoding genes in LAB genomes. CA can be classified into three classes according to their protein relatedness: , and . A class CA was found in the L. plantarum, Leuconostoc mesenteroides, Streptococcus thermophilus, Oenococcus oeni, Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium. These enterococci harboured a second CA encoding gene belonging to the class. No CA encoding gene was found in the Lactococcus lactis genome. These observations are discussed with regard to LAB evolution and ecological niches, which are often rich in IC.

Résumé
Effet du carbone inorganique sur le métabolisme des bactéries lactiques. Le carbone inorganique est trouvé principalement sous deux formes dans la plupart des milieux biologiques, le CO ₂ (sous forme de gaz ou dissous) et le bicarbonate (HCO ^-₃). Le carbone inorganique stimule ou inhibe la croissance d'un certain nombre d'organismes. Le terme de capnophiles désigne les bactéries dont la croissance est facilitée ou nécessite des concentrations de CO ₂ plus élevées que celle de l'air. Ces bactéries à Gram négatif ou positif, chimio-organotrophes hétérotrophes, sont souvent trouvées dans la flore commensale ou pathogène de l'homme, et présentent un métabolisme aérobie strict ou anaérobie facultatif. Comme les capnophiles, les bactéries lactiques sont retrouvées dans divers environnements, souvent enrichis en carbone inorganique (tractus intestinal et vaginal, végétaux en décomposition ou fermentés). Le CO ₂ stimule la croissance de certaines bactéries lactiques (Lactobacillus, Enterococcus faecalis) et de bactéries relativement proches phylogénétiquement (Streptococcus pneumoniae). Mais le rôle du carbone inorganique dans le métabolisme de ces bactéries a été très peu étudié. On considérait que l'effet du CO ₂ chez ces hétérotrophes s'expliquait par son rôle de substrat dans les réactions de carboxylation. En analysant en détail l'effet du CO ₂ et du bicarbonate (HCO ^-₃) sur sa croissance, nous avons pu proposer que les réactions de carboxylation seules n'expliquaient pas l'effet du carbone inorganique sur la croissance de L. plantarum, bactérie lactique que nous avons définie comme capnophile. Une stimulation de la croissance a été observée à la fois par enrichissement en CO ₂ dans la phase gazeuse ou par ajout de HCO ^-₃ dans le milieu. Nous avons recherché la présence de l'anhydrase carbonique (CA), une enzyme ubiquitaire chez de nombreux organismes, qui catalyse l'hydratation du CO ₂ en HCO ^-₃. Trois classes, , et sont définies à partir de leur homologie de séquence. Nous avons trouvé en recherchant des séquences présentant des homologies significatives avec des CA connues, des gènes codant pour une anhydrase carbonique de classe chez L. plantarum, L. mesenteroides, Oenococcus oeni, Streptococcus thermophilus, E. faecalis et E. faecium, ces deux derniers organismes possédant également une anhydrase carbonique de classe . Aucune ORF ne présentant une homologie significative avec une anhydrase carbonique n'a été trouvée chez Lactococcus lactis. Cette observation nous conduit à proposer que certaines bactéries lactiques ont évolué vers d'autres stratégies d'hydratation du carbone inorganique que celles impliquant la CA.

Key words: Lactic acid bacteria / Lactobacillus plantarum / carbon dioxide / bicarbonate / carbonic anhydrase

Mots clés : Bactérie lactique / Lactobacillus plantarum / gaz carbonique / bicarbonate / anhydrase carbonique

Correspondence and reprints: Florence Arsène-Ploetze arsene@gem.u-strasbg.fr

© INRA, EDP Sciences 2004