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Genome-scale metabolic modeling of candidate functional starter cultures for cocoa bean fermentation

par Pelicaen, Rudy
Président du jury Maes, Dominique
Promoteur Gonze, Didier ;Weckx, Stefan
Publication Non publié, 2020-07-06

Thèse de doctorat

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Résumé :	Cocoa bean fermentation is an essential but spontaneous fermentation process to obtain the necessary raw material for the production of cocoa-derived products, among which chocolate. Successful cocoa bean fermentation processes are typically dominated by three microbial groups, namely yeasts, lactic acid bacteria, and acetic acid bacteria. The use of functional starter cultures may allow to gain a better control over the fermentation process. Previously, a number of candidate functional starter cultures have been proposed for the lactic acid bacteria, namely Lactobacillus fermentum 222 and Lactobacillus plantarum 80, and for the acetic acid bacteria, namely Acetobacter pasteurianus 386B, Acetobacter ghanensis LMG 23848T, and Acetobacter senegalensis 108B. The metabolism of bacteria determines an important part of their physiology, and this is recently being investigated by using computational models. The aim of this PhD thesis was to develop such models for the candidate functional starter cultures for the cocoa bean fermentation process and to perform the related computational analysis. The computational models developed were genome-scale metabolic models, which constitute a comprehensive repertoire of metabolic enzymes with their concomitant reactions, and this at genome-scale. The reconstruction of such models requires a combination of high-quality genome re-annotation, comparative genomics, manual curation, and experimental validation. Genome-scale metabolic modeling together with the use of previously published experimental data under cocoa fermentation conditions allowed to contextualize the experimental data and to gain new insights into the metabolic properties of the candidate functional starter cultures. Simulations with the A. pasteurianus 386B genome-scale metabolic model revealed the metabolic roles of lactate and ethanol, the energetic properties of the strains’ aerobic respiratory chain, and the possible functional role of an NAD(P)+ transhydrogenase. Modeling the metabolite dynamics of A. ghanensis LMG 23848T under cocoa fermentation conditions revealed an alternative strategy for its diauxic growth, compared with A. pasteurianus 386B, which was related to a difference in lactate consumption rate and pyruvate overflow. For A. senegalensis 108B, it was shown that, next to lactic acid, also citric acid could sustain its growth in vitro as the sole carbon source. Furthermore, the absence of the glyoxylate cycle predicted from its genome did not correspond with its species description that reports growth on ethanol as the sole carbon source. For L. fermentum 222 and L. plantarum 80, core genome-scale metabolic models allowed to gain insight into the possible metabolic flux distributions as a function of environmental conditions. The modeling also indicated a current lack in knowledge; for example, concerning the presence and consumption of undefined substrates in the complex medium used.In summary, genome-scale metabolic modelling of candidate functional starter cultures for the cocoa bean fermentation process provided useful in silico tools to gain insight into their metabolic properties at a systemic level.
	La fermentation du cacao est un processus essentiel pour obtenir la matière première nécessaire pour la production de produits dérivés du cacao, comme par exemple le chocolat. Une fermentation de cacao favorable est caractérisée par la domination de trois groupes de microorganismes : les levures, les bactéries lactiques, et les bactéries acétiques. L'utilisation de cultures de départ fonctionnelles permet un meilleur contrôle sur le processus de fermentation. En ce qui concerne les bactéries, de nombreuses cultures "starter" ont été proposées, à savoir Lactobacillus fermentum 222 et Lactobacillus plantarum 80 pour les bactéries lactiques et Acetobacter pasteurianus 386B, Acetobacter ghanensis LMG 23848T, et Acetobacter senegalensis 108B pour les bactéries acétiques. Le métabolisme des bactéries constitue une partie importante de leur physiologie et la recherche actuelle se concentre de plus en plus sur la modélisation du métabolisme et la simulation des flux métaboliques par ordinateur. Cette thèse de doctorat a été consacrée au développement et à l'analyse de tels modèles computationnels pour des cultures fonctionnelles "starter" proposés pour la fermentation du cacao.Les modèles qui ont été développés dans cette thèse sont des modèles métaboliques à l’échelle du génome. La reconstruction du réseau métabolique a entraîné la ré-annotation du génome, une étude de génomique comparative, la curation manuelle des annotations et la validation du modèle par des expériences in vitro. La modélisation nous a permis de contextualiser des données expérimentales déjà publiées pour en obtenir de nouvelles informations concernant les propriétés métaboliques des cultures starter. Des simulations utilisant le modèle métabolique de A. pasteurianus 386B ont clarifié les rôles métaboliques de l’acide lactique et de l’éthanol, les propriétés énergétiques de sa chaîne respiratoire, et ont permis d'assigner un rôle possible à une NAD(P)+ transhydrogénase. La modélisation de la dynamique des métabolites provenant d’un milieu de croissance de A. ghanensis LMG 23848T dans des conditions simulant la fermentation du cacao, a mis en évidence une stratégie alternative de croissance biphasique comparé à A. pasteurianus 386B. Ceci est dû à une différence dans le taux de consommation de l’acide lactique et à l’éventuelle production de pyruvate. Pour A. senegalensis 108B, les expériences ont démontré, tant pour l’acide lactique que pour l’acide citrique, que ces sources de carbone permettaient, à elles seules, la croissance de cette bactérie. L’absence du cycle du glyoxylate chez A. senegalensis 108B ne correspondait pas à la description de cette espèce, laquelle pouvant croître sur l’éthanol comme seule source de carbone. Pour L. fermentum 222 et L. plantarum 80, la modélisation de leur métabolisme du carbone a permis d’explorer les distributions de flux métaboliques en fonction des substrats consommés. Les simulations ont aussi révélé le manque de connaissance que nous avons sur ces bactéries lactiques, telle que la consommation de substrats non identifiés venant du milieu de croissance et qui pourrait influencer leur dynamique de croissance.En résumé, la modélisation métabolique à l’échelle du génome des cultures starter proposées pour la fermentation du cacao a permis le développement d’outils in silico qui peuvent être utilisés pour mieux comprendre le métabolisme global de ces souches.
	Het cacaoboonfermentatieproces is een essentieel maar spontaan proces dat nodig is om de noodzakelijke grondstof, met name de gefermenteerde cacaobonen, voor de productie van cacao-afgeleide producten, waaronder chocolade, te bekomen. Succesvolle cacaoboonfermentatieprocessen worden typisch gedomineerd door drie microbiële groepen, met name gisten, melkzuurbacteriën en azijnzuurbacteriën. Om meer controle te verkrijgen over het fermentatieproces is het gebruik van functionele starterculturen aangewezen. In vorige studies werd reeds een reeks kandidaat-functionele starterculturen voorgesteld. Voor de melkzuurbacteriën zijn dit Lactobacillus fermentum 222 en Lactobacillus plantarum 80 en voor de azijnzuurbacteriën zijn dit Acetobacter pasteurianus 386B, Acetobacter ghanensis LMG 23848T en Acetobacter senegalensis 108B. Het metabolisme van bacteriën bepaalt in grote mate hun fysiologie, en dit wordt recent onderzocht door middel van computationele modellen. Het ontwikkelen en analyseren van zulke modellen voor de voorgestelde kandidaat-functionele starterculturen vormde het onderwerp van deze doctoraatsthesis.De computationele modellen waarvan sprake waren genoomwijde metabole modellen (GEMs), dewelke het repertoire aan metabole enzymen en de biochemische reacties die zij katalyseren in de bacteriële cellen omvat. De reconstructie van het metabole netwerk op genoomschaal vraagt om een gecombineerde aanpak van hoge-kwaliteit genoomherannotatie, comparatieve genomica en experimentele validatie. De GEMs werden gebruikt om reeds gepubliceerde experimentele data onder cacaofermentatiecondities te contextualiseren en nieuwe inzichten te verkrijgen in de metabole karakteristieken van de kandidaat-functionele starterculturen. Door middel van simulaties met het A. pasteurianus 386B GEM kon de metabole rol van melkzuur en ethanol, en de energetische karakteristieken van de aerobe respiratieketen van deze stam aangetoond worden, alsook de mogelijke metabole functie van een NAD(P)+ transhydrogenase. Het modelleren van de microbiële dynamica van A. ghanensis LMG 23848T onder cacaofermentatiecondities wees op een alternatieve strategie voor de tweevoudige groei van deze stam ten opzichte van de tweevoudige groei van A. pasteurianus 386B onder dezelfde condities, en dit omwille van een verschil in melkzuurconsumptiesnelheid en pyruvaatsecretie. Voor A. senegalensis 108B werd aangetoond dat deze stam, naast melkzuur, ook op citroenzuur als enige koolstofbron kon groeien. De afwezigheid van de glyoxylaatcyclus, voorspeld op basis van het genoom, bij A. senegalensis 108B is in tegenstelling tot de soortbeschrijving, dewelke stipuleert dat deze azijnzuurbacteriesoort in staat is tot groei op ethanol als enige koolstofbron. Voor L. fermentum 222 en L. plantarum 80 leidde de ontwikkeling van GEMs tot nieuwe inzichten in de mogelijke metabole fluxverdelingen, voornamelijk ten aanzien van substraatverbruik. Het modelleren van de microbiële dynamica wees ook op een tekortkoming aan huidige kennis over deze stammen, bijvoorbeeld met betrekking tot het gebruik van ongedefinieerde substraten in een rijk groeimedium.Samenvattend werden door middel van de ontwikkelde GEMs van de kandidaat-functionele starterculturen voor cacaoboonfermentatieprocessen nieuwe inzichten verkregen in hun metabolisme en dit op systeemniveau.