Caractérisation du quinovosane, un polysaccharide original impliqué dans l’adhésion des spores de Bacillus subtilis

Ce travail s’inscrit dans la continuité de plus de soixante ans de recherches sur le micro-organisme modèle Bacillus subtilis, qui visent à relier gènes, protéines et fonctions et à affiner la compréhension de sa physiologie. Il contribue également à mieux comprendre le lien entre la structure des glycanes de surface des micro-organismes et leur adhésion aux surfaces, ouvrant la voie à une meilleure maîtrise des contaminations microbiennes dans l’industrie agroalimentaire. 

Réduire l’altération microbienne, un levier clé de la transition alimentaire

La réduction des pertes et gaspillages alimentaires (PGA) est un levier clé de la transition alimentaire. En 2022, environ 1,05 milliard de tonnes de nourriture ont été perdues ou gaspillées, ce qui représente près d’un cinquième de l’offre disponible, contribuant à 8-10 % des émissions de gaz à effet de serre et à un usage évitable des ressources. Une part importante de ces PGA provient de l’altération microbienne. Dans de nombreuses filières, les bactéries sporulantes du groupe Bacillus subtilis posent problème : leurs spores résistent aux traitements thermiques, persistent sur les équipements, forment des biofilms et peuvent recontaminer les lignes de transformation. En boulangerie, elles sont impliquées dans la « mie filante ». Dans l’industrie laitière, elles dégradent la qualité et raccourcissent la durée de vie des produits. L’altération microbienne, notamment par des bactéries du groupe B. subtilis, connaît une recrudescence dans le contexte des démarches « Clean Label » mises en place par les industriels et qui privilégient des procédés plus doux et des protocoles d’hygiène plus respectueux de l’environnement. Pour concilier ces nouvelles pratiques avec un contrôle efficace des sporulants, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes d’adhésion des spores aux surfaces. Cela passe par l’identification et la caractérisation des molécules superficielles des spores qui participent à l’adhésion aux matériaux contacts, mais aussi par la compréhension de leur dynamique dans les conditions rencontrées au cours des procédés de transformation et d’hygiène. 

Le quinovosane, un glycane qui structure la surface des spores de B. subtilis et participe à l’adhésion 
 

La couche superficielle des spores des bactéries du groupe B. subtilis, le « crust », est constituée de protéines très structurées et de glycanes et plusieurs études indiquent que ces derniers jouent un rôle prédominant dans les propriétés de surface et d’adhésion des spores. Les chercheurs de l’UMET, en étroite collaboration avec des chercheurs et des ingénieurs de l’UGSF et de la plateforme PLBS-PAGés ont purifié une fraction de crust contenant un glycane libre riche en quinovose. L'analyse de cette fraction par chromatographie en phase gazeuse, spectrométrie de masse et résonance magnétique nucléaire leur a permis d'élucider la structure primaire de ce glycane. Il s'agit d'un polysaccharide de plus de 400 résidus D-quinovoses, constitué pour deux tiers de résidus α et un tiers de résidus β. L’unité répétitive comprend neuf résidus organisés de manière spécifique : cinq sont monosubstitués en O-3 (C, D ,E ,H et I), deux sont disubstitués en O-2 et O-3 (B et G), et deux occupent des positions terminales non réductrices (A et F). En raison de la similarité structurale de ce polysaccharide avec le rhamnane, les chercheurs l'ont nommé quinovosane. Leurs résultats indiquent que le quinovosane contribue à l’adhésion des spores et à l'architecture du crust. La nature amphiphile du quinovosane favorise probablement les interactions entre les molécules hydrophiles et les protéines hydrophobes du crust, participant ainsi à l’organisation supramoléculaire de la surface des spores. Par ailleurs, ils ont identifié l’opéron yfnHGFED comme responsable de la biosynthèse du quinovosane : yfnH et yfnG sont nécessaires à la biosynthèse du quinovose, tandis que yfnF, yfnE et yfnD sont impliqués dans l’assemblage du polymère. Ces résultats leur ont permis de proposer une voie de synthèse du quinovosane chez Bacillus subtilis. Ces travaux ont récemment été publiés dans le journal Carbohydrate Polymers et ils sont soutenus par l’ANR (JCJC SOGLOSSI, 2021-2026). 

Et maintenant ?

Forts de l’identification du quinovosane, les chercheurs de l’UMET, avec l’UGSF et la plateforme PLBS-PAGés, passent à la vitesse supérieure ! Ils ambitionnent d’identifier et d’établir la structure des autres polysaccharides du « crust », de caractériser leurs voies de biosynthèse et de comprendre comment ces glycanes s’ancrent à la spore et gouvernent ses interactions avec les matériaux. Pour comprendre ce qui se joue dans les conditions réelles des IAA, ils soumettront les spores à des stress effectivement rencontrés dans ces environnements, par exemple la température, le pH, les détergents alcalins et des agents antimicrobiens, et ils en évalueront l’effet sur l’adhésion des spores, de l’échelle de la spore jusqu’à l’échelle pilote. Ces jeux de données multi-échelles alimenteront des modèles prédictifs pilotés par l’IA, susceptibles de prédire le comportement des spores en fonction des conditions environnementales qu’elles auront rencontrées. À terme, ces modèles devraient permettre de proposer de bonnes pratiques de transformation et d’hygiène compatibles avec les démarches « Clean Label » et de prédire le risque de persistance des spores selon les procédés utilisés.