OGM et Alimentation

Les bactéries lactiques sont utilisées dans un grand nombre de transformations alimentaires. Elles agissent en effet sur le goût et sur la conservation. Les méthodes du génie génétique permettent non seulement de mieux comprendre le fonctionnement de ces bactéries pour mieux les utiliser, mais aussi de les modifier. La surexpression de certains gènes ou leur inactivation permet d'obtenir des souches aux caractéristiques nouvelles.

Pierre Renault
Génétique Microbienne, INRA Jouy-en-Josas

Les bactéries lactiques sont, avec les levures, les micro-organismes les plus utilisés dans les procédés de fabrication des aliments. Ainsi en France, près de 15 milliards de litres de lait sont transformés chaque année en fromages ou yaourts grâce à leur action. Ces bactéries jouent aussi un rôle crucial dans la fabrication de nombreux produits alimentaires traditionnels comme le beurre et d'autres produits dérivés du lait, les produits de salaison (saucisson...), certains pains, la choucroute et divers légumes fermentés, les olives, le vin, le cidre, certains condiments comme la sauce de soja...Enfin, leur rôle en alimentation animale mérite d'être mentionné, puisque l'ensilage est le produit d'une fermentation lactique.

La grande variété des produits issus de fermentation lactique s'explique non seulement par la diversité des matières premières utilisées et des procédés de fabrication, mais aussi par celle des espèces bactériennes qui se développent spontanément ou sont ensemencées par le fabricant. Selon les produits, les espèces les plus répandues sont Lactococcus lactis (la plupart des fromages), Streptococcus thermophilus et Lactobacillus bulgaricus (yaourt), Lactobacillus sake (salaison) et Oenococcus oenos (vin).

En plus de leur rôle fondamental dans l'élaboration du goût, de l'odeur et de la texture, les bactéries lactiques empêchent la croissance de bactéries indésirables, voire pathogènes comme les Listeria ou les entérobactéries, ou la détérioration des aliments par d'autres micro-organismes comme les Pseudomonas ou les Clostridi.

Savoir reproduire la qualité

L'obtention reproductible de produits d'excellente qualité gustative, nutritionnelle et sanitaire est le principal problème que rencontrent les industriels et les producteurs artisanaux. En effet, de nombreux paramètres influent sur le bon déroulement de la fermentation :

- la matière première (lait, légumes, viande...), dont la qualité varie considérablement en fonction des saisons, de la provenance, et de la manière dont ces matières ont été traitées avant leur transformation (hygiène lors de la récolte, temps de stockage, chaîne du froid...) ;

- les micro-organismes qui peuvent se développer naturellement ou être ensemencés. Dans le cas des flores naturelles, le producteur maîtrise mal le type d'organismes qui se développe et la vitesse de fermentation. Si l'utilisation de levains sélectionnés résoud une partie de ces problèmes, il permet aussi de passer d'un stade purement artisanal à une production industrielle. De plus, la plupart des produits résultent de l'action de nombreux micro-organismes dont il est souvent difficile de maîtriser l'équilibre. Un des problèmes les plus courants est l'attaque des bactéries par des virus appelés bactériophages. Notons enfin que le démarrage de la croissance des différentes souches d'un levain peut varier d'une préparation à l'autre.

Pour une maîtrise de la fermentation

La maîtrise de la fermentation passe donc par une standardisation de la matière première, et par l'utilisation de flores mieux connues. C'est déjà le cas pour certains fromages comme le Cheddar et certains yaourts fabriqués avec des mélanges de quelques souches bien identifiées. Mais cette évolution peut poser des problèmes, car d'une part il peut être difficile d'obtenir un excellent produit avec un petit nombre de souches, et d'autre part, les attaques par les bactériophages sont d'autant plus redoutables que le nombre de souches utilisées est restreint. En revanche, l'utilisation de levain contrôlé permet de sélectionner des souches sur des propriétés fermentaires particulières. Cette sélection peut être réalisée par une recherche systématique de souches naturelles ou en utilisant des techniques de la biologie moléculaire. La plupart des programmes en cours visent à améliorer les croissances bactériennes et leur reproductibilité, ainsi que les qualités sanitaires et organoleptiques des produits.

Amélioration de la croissance bactérienne

 Afin d'améliorer la reproductibilité des croissances bactériennes, deux types de recherche sont menés. La première vise à limiter l'impact des attaques des bactériophages. Les bactéries ont naturellement développé leur propre système de défense. La connaissance de ces mécanismes devrait permettre de mieux les utiliser, voire même d'en développer de nouveaux qui s'avéreront probablement nécessaires, car l'évolution rapide des bactériophages leur permet toujours de contourner les barrières naturelles. Un second type de recherche vise à améliorer la qualité des levains utilisés de plus en plus en ensemencement direct. Les levains sont en général produits par des industriels et vendus congelés ou lyophilisés en poudre. Des efforts considérables d'optimisation de leur production ont déjà été réalisés par des méthodes de biotechnologie classique, mais des variations importantes ont été observées entre les souches au niveau de la conservation ou du redémarrage de la croissance. Des facteurs génétiques seraient à l'origine de ces différences. Ces facteurs pourraient être soit des gènes de résistance aux stress que la bactérie subit en production, soit des gènes impliqués dans les fonctions métaboliques nécessaires à la croissance bactérienne. L'amélioration des souches passe par la compréhension de l'ensemble de ces fonctions.

Amélioration des qualités sanitaires et organoleptiques

Une bonne croissance bactérienne augmente la qualité sanitaire des produits. En effet, l'acidification rapide qu'elle entraîne empêche la croissance de germes indésirables. De plus, certaines bactéries produisent des substances qui inhibent plus ou moins spécifiquement la croissance des autres bactéries. Ces substances, appelées bactériocines, sont actuellement répertoriées. Des travaux visent à améliorer leur efficacité ou faciliter leur utilisation.

La qualité gustative des produits alimentaires est une notion beaucoup plus subjective, un produit pouvant être apprécié différemment en fonction des pays, mais aussi des consommateurs dont le goût évolue au fil du temps. Au-delà de ces variations, pour un produit donné, le consommateur attend un arôme, une texture et un goût caractéristique dont les micro-organismes sont directement ou indirectement responsables. Il importe donc de mieux comprendre les voies métaboliques du carbone et de l'azote impliquées dans la production de l'acide lactique, d'acides organiques, d'alcool, d'aldéhyde, de dérivés d'acides aminés qui participent à l'acidification et à la flaveur du produit. Les bactéries produisent aussi des exopolysaccharides, qui interviennent dans l'élaboration de la texture des aliments fermentés. Des recherches menées à l'INRA ont permis de mieux comprendre les mécanismes de production d'arômes et de mettre au point des méthodes sélectionnant des souches surproductrices.

L'exemple de souches surproductrices de diacétyle

 Le diacétyle est un composé aromatique laitier, instable et désiré dans de nombreux produits frais (beurre, fromages frais, crèmes, "buttermilk"...). Sa synthèse est relativement simple et se fait en deux étapes à partir du pyruvate. La première est enzymatique, la seconde est chimique. Tous les gènes codant pour les enzymes impliquées dans cette synthèse ont été caractérisés. Afin de surproduire le diacétyle, les activités de ces enzymes ont été augmentées ou diminuées. On a, par exemple, amélioré l'efficacité de la synthèse d'un précurseur de l'arôme en surexprimant l'enzyme responsable de cette synthèse ou en exprimant une autre enzyme plus efficace. A l'opposé, certaines transformations enzymatiques ont été supprimées en inactivant par mutagénèse les gènes impliqués. En particulier, l'enzyme qui détruit le précurseur direct du diacétyle a été inactivée dans l'unité de Génétique Microbienne. Cette modification ne change pas de manière importante le métabolisme fermentaire, et permet en revanche d'augmenter la production de diacétyle d'un facteur 10. Il a ainsi été montré, grâce aux outils de la biologie, qu'en changeant un petit nombre de gènes de L. lactis il est possible d'obtenir des souches produisant une quantité plus importante d'un arôme du beurre.

Quelles applications peut-on envisager pour de telles souches ? L'application la plus simple et ne nécessitant aucune mise au point particulière serait la production de distillat concentré de cet arôme qui est déjà utilisé comme additif aromatique «croissants frais». Les nouvelles souches pourraient aussi être utilisées directement pour la fabrication de fromages frais, de crème, de lait fermenté, ou même de produits "nouveaux".

Chez les bactéries lactiques, on sait construire avec les techniques de la transgénèse des mutants, par exemple en enlevant quelques paires de bases dans le gène, ce qui conduit à la production d'une protéine tronquée. Ces mutants ont toutes les caractéristiques de mutants "acceptables pour les industries agro-alimentaires", car ils ne contiennent aucun ADN supplémentaire (pas même de l'hôte).

Des mutants surproducteurs d'un arôme, une méthode "propre" pour les produire... et pourtant les industriels sont très réticents à les utiliser, car ces mutants sont issus d'une technologie "génétique". Un fabricant de levain envisage la commercialisation d'une telle souche en dehors de l'Europe pour l'utiliser dans des procédés de surproduction d'arôme, et la souche serait éliminée du produit. La souche génétiquement modifiée ne restant pas dans l'aliment et le produit qu'elle fabrique étant le même que celui déjà utilisé sur le marché, il n'y aurait pas de problème juridique ou de risque alimentaire à résoudre.

Devant la réticence des consommateurs, l'objectif a été la production de souches surproductrices d'arômes par des techniques génétiques autres que celles utilisant la transgénèse. Dans un premier temps, les travaux ont visé à comprendre le rôle de l'enzyme clé du métabolisme du diacétyle dans la cellule. Il a été montré qu'elle intervenait dans la régulation de la synthèse d'acides aminés (en particulier leucine et valine). Des milieux de culture sur lesquels l'enzyme empêche la fabrication de la valine indispensable à la croissance de la bactérie ont alors été mis au point. Seul un mutant n'exprimant plus cette enzyme est capable de pousser sur ce milieu, et de tels mutants obtenus spontanément à basse fréquence ont été sélectionnés.

Cette sélection a été appliquée avec succès à quelques souches de lactocoque, mais son utilisation est restreinte aux souches possédant des gènes de biosynthèse d'acides aminés intacts, ce qui n'est pas le cas de la plupart des souches industrielles. Une variante de ce crible a été réalisée sous contrat avec un industriel. Nous avons alors introduit les gènes de la synthèse de valine manquant dans la bactérie avant de sélectionner les mutants poussant sur le milieu déséquilibré. Les gènes sont ensuite perdus spontanément par la bactérie. Là encore, dans cette variante, la souche est passée par une étape où elle a contenu de l'ADN étranger.

Conclusion

Il existe déjà des souches de lactocoque génétiquement modifiées par des méthodes de biologie moléculaire qui pourraient être utilisées par les industriels de l'agro-alimentaire. Ces souches ne présentent pas de risques par rapport aux mutants naturels. Les souches plus profondément modifiées devront par contre être étudiées au cas par cas pour voir si les modifications apportées présentent ou non un risque alimentaire (allergie par exemple) ou environnemental. À ce jour, en Europe, l'utilisation de souches même faiblement modifiées n'est pas acquise dans l'agro-alimentaire du fait de la très grande réticence des consommateurs et, par contrecoup, des industriels.

[R] Pour en savoir plus

Renault P., Calero S., Delorme C., Drouault S., Goupil-feuillerat N., Guedon E., Ehrlich. S. D., 1998. Du génome à l'application. Le Lait 77, 109-122.

Goupil-feuillerat N., Ehrlich. S. D., Renault P. L'ingénierie métabolique chez les bactéries lactiques. Colloque de la Société Française de Nutrition. 10-11 avril 1997, Institut Pasteur - Paris.

 Maguin E., Prevost H., Gruss A., 1996. Les mutants alimentaires de bactéries lactiques : une méthode à exploiter. Le Lait 76 (1-2), 139-146