Carnobacterium est un genre bactérien présent dans une grande diversité d’environnements et de produits alimentaires. L’objectif de ce travail est d’approfondir les connaissances sur C. maltaromaticum (C. m) par une étude génomique. Neuf génomes de Carnobacterium, dont 5 de C. m, ont été analysés. C. m DSM20342 MX5 possède un génome de 3,85 Mbp, le plus grand génome parmi les LAB connus. Les souches de C. m et C. divergens présenteraient une surface cellulaire caractérisée par une grande diversité moléculaire. Les propriétés de surface qui en découlent seraient à relier à la capacité de ces deux espèces à coloniser différents habitats. Les souches de C. m isolées de différents produits laitiers se caractérisent par une grande diversité génomique. Afin de caractériser le niveau de diversité, les gènes impliqués dans les voies d’utilisation du lactose (voie Tagatose-6Phosphate, gènes lac) et du galactose (voie Leloir, gènes gal) ont été caractérisés au sein du genre Carnobacterium et recherchés par PCR chez 42 souches de C. m. Les deux voies sont organisées différemment chez les différentes souches de C. m. L’analyse au niveau de la population révèle une dissémination des deux voies au sein des 4 lignées de cette population et suggère que les gènes lac et gal ont évolué selon un schéma complexe, reflet du haut niveau de diversité génétique de la population. La recherche de ces gènes au sein des 237 génomes de LAB indique qu’ils présentent un niveau de diversité élevé parmi les différents genres bactériens constituant le groupe des LAB, avec une dominance de la présence de la voie de Leloir. Ce niveau de diversité génétique est retrouvé à l’échelle de l’espèce chez C. m. / Carnobacterium bacteria are present in a wide variety of environments and foods. The objective of this thesis is to deepen the knowledge on C. maltaromaticum (C. m) by a comparative genomic approach. Nine Carnobacterium genomes, including 5 C. m, available on the platform MicroScope were analyzed and compared. C. m DSM20342 MX5 is the largest genome among LAB. Detailed analysis the presence of a high molecular diversity of cell surface proteins in C. m and C. divergens, while the three other Carnobacterium species present only few proteins on their surfaces. This can be related to the ability of these two species to colonize different habitats. Furthermore, C. m strains isolated from various dairy products are characterized by a large genomic diversity. In order to characterize this diversity, genes involved in lactose (Tagatose-6Phosphate pathway, lac genes) and galactose (Leloir pathway, gal genes) metabolic pathways were identified within Carnobacterium genus and detected by PCR in 42 C. m strains. Both pathways are present and organized differently in the C. m strains. The analysis of these genes at the population level shows a spread of the two pathways within the 4 lineages of this population and suggest that the lac and gal genes have evolved in a complex pattern, which reflects the high level of genetic diversity of the population. These genes were characterized in 237 LAB genome and exhibit a high degree of diversity among the different bacterial genera of the LAB group, with a dominance of the presence of the Leloir pathway. This level of genetic diversity is found at the species level for C. m.

Carnobacterium maltaromaticum est une bactérie lactique atypique isolée de fromages à pâte molle. Les caractéristiques majeures de cette bactérie sont i) sa capacité à produire un arôme de type malté ou chocolaté, le 3-méthylbutanal à partir du catabolisme de la leucine ii) sa capacité à produire des bactériocines, peptides à activité antibactérienne vis-à-vis de flores pathogènes et/ou d'altération fréquemment rencontrées en industries alimentaire, telle que Listeria monocytogenes. Une caractérisation phénotypique et génotypique réalisée sur six souches de C. maltaromaticum isolées du même biotope a montré que celles-ci ne sont pas phylogénétiquement identiques. Même si ces souches n'ont pas la capacité à coaguler rapidement le lait, elles sont acidotolérantes. Elles n'influent pas sur la capacité ni la rapidité de coagulation des starters, Lactococcus lactis et Streptococcus thermophilus utilisés en industrie laitière. L'étude de l'impact de C. maltaromaticum sur la flore bactérienne du fromage a révélé que sa présence provoque la diminution de la concentration de Psychrobacter, germe pouvant être responsable d'une accélération du phénomène de vieillissement du fromage. Un plan d'expérience a été réalisé pour mettre en évidence ces inhibitions et les éventuelles interactions entre différents facteurs (concentration cellulaire initiale, concentration en NaCl, pH, durée d'incubation). Deux modèles ont été choisis i) Psychrobacter sp. et ii) L. monocytogenes. La concentration cellulaire de C. maltaromatiucm est le facteur le plus important pour inhiber les bactéries testées. Cette espèce opportuniste pourrait être considérée comme un auxilliaire de fabrication intéressant et pourrait être retenue comme flore bactérienne d'affinage. Toutes les souches de C. maltaromaticum testées sont capables de produire du 3-méthylbutanal pouvant conférer une flaveur maltée au fromage. Les études menées sur la biosynthèse du 3-méthylbutanal ont montré la présence et la fonctionnalité de deux voies métaboliques; la voie directe impliquant l'alpha-cétoacide décarboxylase et la voie indirecte passant par l'alpha-cétoacide déshydrogénase. L'oxygénation du milieu de culture a un impact positif sur la formation du 3-méthylbutanal et du 3-méthylbutanol avec la stimulation des voies directes et indirectes / Carnobacterium maltaromaticum is a lactic acid bacterium isolated from atypical soft cheeses. The major characterstics of this bacterium are i) its ability to produce a malty or chocolate-like flavor 3-methylbutanal from leucine catabolism ii) its ability to produce bacteriocins against pathogenic and spoilage bacteria for instance, Listeria monocytogenes. Phenotypic and genotypic characterization of six strains of C. maltaromaticum isolated from the same habitat showed that they were not phylogenetically identical. Although these strains lacked the ability to coagulate the milk quickly, they were acid tolerant. They did not affect the milk coagulation capacity of startes, Lactococcus lactis and Streptococcus thermophilus used in dairy industry. The study on the impact of C. maltaromaticum on the bacterial flora of cheese showed that its presence resulted in the decrease of the concentration of Psychrobacter, which might be responsible for accelerating the aging phenomenon of cheese. An experimental plan was realized to highlight these inhibitions and possible interactions between factors (cell concentration, NaCl, pH, incubation time) by choosing two models i) Psychrobacter sp. and ii) L. monocytogenes. The cell concentration of C. maltaromatiucm was the factor more significant for the inhibitions of the tested bacteria. Being psychrotrophic, alkalinophilic, malty or chocolate flavor producing and biopreservative agent, this species could play a role as a ripening flora of cheese. All strains of C. maltaromaticum tested were able to produce 3-methylbutanal conferring any malt flavor to cheese. The results on the physiology involved in the biosynthesis of 3-methylbutanal showed the presence and functionality of both metabolic pathways; the direct by alpha-ketoacid dacarboxylase enzyme and indirect comprising alpha-keto acid dehydrogenase enzyme. The oxygenation of culture medium had a positif impact on the formation of 3-methylbutanal and 3-methylbutanol with the stimulation of both direct and indirect metabolic routes

Compétition et diversité sont des phénomènes majeurs en microbiologie. Dans le secteur de l’agroalimentaire, la compétition est à la base de la biopréservation, un procédé dont l’objectif est d’inhiber des microorganismes indésirables par l’utilisation de microorganismes compétiteurs. La diversité microbienne est quant à elle à l’origine de la diversité de produits fermentés et en particulier de la typicité des fromages. Pourtant, l’écologie de la compétition microbienne dans les aliments et le lien avec la diversité microbienne sont très mal connus. L’objectif de ces travaux de thèse était d’une part d’étudier la diversité et d’autre part la compétition chez une bactérie représentative de l’écosystème fromager. Le modèle d’étude choisi est la bactérie lactique Carnobacterium maltaromaticum. Une analyse de diversité de 21 souches de C. maltaromaticum a été réalisée par MultiLocus Sequence Typing (MLST) et a permis de compléter la structure connue de la population de C. maltaromaticum. Cette étude a permis de révéler la présence de 56 génotypes au sein d’une collection de 71 souches, montrant une grande diversité génétique au sein de cette espèce. La compétition par interférence a été étudiée par réalisation de tests de compétition à haut débit. Chaque test de compétition mettait en jeu deux souches de la collection, une souche en situation d’expédition et une souche en situation de réception. Au total 5776 tests ont été réalisés à partir de la collection de 76 souches. Les résultats ont révélé que 60% des souches inhibaient au moins une autre souche de la collection indiquant que la compétition intraspécifique est majeure au sein de l’espèce C. maltaromaticum. Par ailleurs, une grande variabilité de largeur de spectre d’inhibition et de spectre de sensibilité a été observée. Une approche d’analyse de réseau a révélé une architecture « nested » du réseau compétitif suggérant que l’inhibition dépend non seulement des caractéristiques antagonistes des souches inhibitrices mais également du niveau de sensibilité des souches réceptrices. Une analyse génomique de 26 souches de la collection a été réalisée en vue de prédire leur contenu en gènes codant la synthèse de substances antagonistes et a permis d’identifier des gènes codant potentiellement des bactériocines. En conclusion, ces travaux de thèse ont montré que l’espèce Carnobacterium maltaromaticum est d’une part caractérisée par une grande diversité génétique et que d’autre part la compétition par interférence est fréquente au sein de la population / Competition and diversity are major phenomena in microbiology. In the agri-food sector, competition is the very basis of biopreservation, a process which objective is to inhibit undesirable microorganisms through the use of microbial competitors. Microbial diversity lies at the origin of the diversity of fermented products and particularly of the typicality of cheeses. However, the ecology of microbial competition in food and the link with microbial diversity are poorly understood. The goal of this thesis was to study the diversity and the competition of a representative model bacterium of the cheese ecosystem. The study model chosen is the lactic acid bacterium Carnobacterium maltaromaticum. An analysis of the diversity of 21 strains of C. maltaromaticum was performed by MultiLocus Sequence Typing (MLST) and allowed to complete the scheme of C. maltaromaticum population structure. This study revealed the presence of 56 genotypes among a collection of 71 strains, showing a high genetic diversity within this species. Interference competition was studied by performing high-throughput competition assays. Each competition assay involved two strains, one in the position of the sender strain and the other in the position of the receiver. In total, 5776 tests were performed on a collection of 76 strains. The results revealed that 60% of strains inhibited at least one other strain of the collection, indicating that intraspecific competition is major in C. maltaromaticum. Moreover, a large variability in the width of inhibition and sensitivity spectra has been observed. A network analysis approach revealed a nested architecture of the competitive network, suggesting that inhibition depends not only on the antagonistic characteristics of the inhibitory strains but also on the level of sensitivity of the receiver strains. A genomic analysis of 26 strains from the collection was performed in order to predict their gene content encoding the synthesis of antagonistic substances, and it allowed the identification of genes potentially encoding bacteriocins. In conclusion, this thesis has shown that the species Carnobacterium maltaromaticum is characterized by a high genetic diversity and that interference competition is frequent in the population

L'industrie alimentaire cherche constamment à améliorer les processus de conservation des aliments. La biopréservation s’impose comme une alternative à l’utilisation de conservateurs dits «chimiques» et fait appel à des micro-organismes sélectionnés en tant que cultures protectrices pour leurs propriétés antimicrobiennes naturels. L'objectif de cette étude était de tirer profit de la diversité de Carnobacterium maltaromaticum afin d’identifier des souches capables d'inhiber la croissance du pathogène alimentaire Listeria monocytogenes. Pour cela, une méthode de typage moléculaire permettant la reconnaissance fine de souches a été établie, puis une méthode de criblage d’activités antibactériennes à robustesse élevée a été mise au point. La méthode de typage moléculaire est une méthode MLVA (Multiple-locus variable-number tandem repeat (VNTR) analysis) avec 3 loci de VNTR (VNTR-A, VNTR-B, VNTR-C) permet de discriminer 15 génotypes différents au sein d’une collection de 24 souches. Cela confirme la grande diversité génotypique et phénotypique présente au sein de la population de C. maltaromaticum et la performance de la méthode. La méthode de criblage est basée sur la réalisation d’essais de compétition à haut débit où chaque membre d’une collection de C. maltaromaticum a été co-cultivé avec une souche bioluminescente de L. monocytogenes. Il a été montré que la production de luminescence est le reflet de la croissance de L. monocytogenes en micro-culture et qu’il est ainsi possible de tester la stabilité du pouvoir antagoniste de chaque membre de la collection dans de multiples conditions de cultures différentes. Cette méthode a ainsi permis d’identifier des souches de C. maltaromaticum dont la propriété anti-L. monocytogenes est peu influencée par les conditions de cultures. Outre l’intérêt fondamental que présente cette méthode pour l’étude des interactions compétitives dans l’aliment, elle a permis d’identifier des souches présentant un fort potentiel de valorisation dans le domaine de la biopréservation alimentaire / The food industry is constantly seeking to improve food preservation processes. Biopreservation imposes itself as an alternative to the use of chemical preservatives and involves micro-organisms selected as protective cultures for their natural antimicrobial properties. The aim of this study was to benefit from the diversity of Carnobacterium maltaromaticum in order to identify strains capable of inhibiting the growth of Listeria monocytogenes, a food-borne pathogen. For this purpose, a molecular typing method that enables fine strain identification has been established, then a method of screening of antibacterial activities with high robustness has been developed. The molecular typing method is a MLVA (Multiple-locus variable-number tandem repeat (VNTR) analysis) with 3 VNTR loci (VNTR-A, VNTR-B, VNTR-C). It allowed to discriminate 15 different genotypes among a collection of 24 C. maltaromaticum strains. These results confirmed the high strain diversity within this species and showed the high performance of this method. The screening method is based on high throughput competition assays where each member of a collection of C. maltaromaticum strains was co-cultivated with a bioluminescent strain of L. monocytogenes. It was established that the bioluminescence of this strains is highly correlated to bacterial growth in micro-cultures, indicating that it is possible to investigate the stability of antagonistic properties of each collection member under multiple different culture conditions. The use of this method allowed to identify C. maltaromaticum strains with bioprotection properties that are poorly influenced by culture conditions. Besides the fundamental interest of this method for investigations of competitive interactions in food, it allowed to identify strains with high potential for bioprotection applications

Les bactériocines de classe IIa présentent une activité antimicrobienne résultant d'un mécanisme d'action ciblant les membranes des bactéries à Gram positif. Cette activité est modulée par différentes caractéristiques des surfaces bactériennes. Les propriétés physico-chimiques de surface de dix-huit souches bactériennes ont été déterminées afin d'étudier le lien entre ces propriétés et les phénotypes de résistance/sensibilité à Cbn BM1. Les résultats obtenus indiquent une grande diversité des propriétés physico-chimiques des surfaces analysées, sans cependant permettre d’établir un lien entre celles-ci et le phénotype de sensibilité/résistance à CbnBM1. Les mécanismes d'action de Cbn BM1 ont ensuite été étudiés sur Carnobacterium maltaromaticum DSM20730 et Listeria monocytogenes EGDe. L'atteinte de l'intégrité physique des membranes plasmiques par l'action de Cbn BM1 montre une hétérogénéité de réponse des populations bactériennes. Ce résultat a été confirmé par microscopie de force atomique in vivo à haute résolution. L'interaction de Cbn BM1 avec les membranes a été mise en évidence par mesure de l'anisotropie de fluorescence. Cette approche a révélé que Cbn BM1 présente des degrés de pénétration différents dans la membrane de C. maltaromaticum DSM20730 par rapport à L. monocytogenes EGDe. L'action de Cbn BM1 conduit cependant, pour les deux souches, à la modification de la force protomotrice membranaire. Ces différentes approches retenues pour l'étude des mécanismes d'action ont révélé que C. maltaromaticum DSM20730 et L. monocytogenes EGDe présentent une sensibilité à Cbn BM1 uniquement lorsque les cellules sont en phase exponentielle de croissance. / The antimicrobial activity of class IIa bacteriocins toward Gram positive bacteria relies on their membrane targeting mechanisms of action. These mechanisms are modulated by the bacterial surface properties. The physico-chemical surface properties of eighteen bacterial strains were determined to link these properties to the resistance/sensitivity to Cbn BM1 of the bacterial strains. In this way, two approaches were undertaken : the microbial adhesion to solvents and electrophoretic mobility measurements. The results show a large diversity of the determined properties among the strains but without establishing a direct link between the surface properties and the resistance/sensitivity phenotypes. Mechanisms of action of the bacteriocin Cbn BM1 on Carnobacterium maltaromaticum DSM20730 and Listeria monocytogenes EGDe were determined. Syto9® and propidium iodide allowed to show the heterogeneity of the bacterial populations toward the alteration of the membrane integrity. The interaction of Cbn BM1 with the bacterial membrane was studied by monitoring the fluorescence anisotropy of DPH and TMA-DPH. The results highlight a difference between the mechanism of action of Cbn BM1 on C. maltaromaticum DSM20730 and on L. monocytogenes EGDe. However, a treatment by Cbn BM1 leads to a perturbation of the component of the proton-motive force of the membrane for both strains. These approaches revealed that these bacterial strains exhibit a sensitivity to Cbn BM1 only when treated in log growth phase. Modification of nano-mechanical properties of C. maltaromaticum DSM20730 after a treatment by Cbn BM1 were assessed by an atomic force microscopy approach.

Seafood permits the transmission of many bacterial pathogens. In order to reconcile consumer demands with important safety standards, traditional means of regulating microbial spoilage and safety hazards in foods are combined with novel technologies. These include biological antimicrobial systems, such as the use of lactic acid bacteria (LAB) and/or their bacteriocins, such as Carnobacterium maltaromaticum CS526 and its bacteriocin piscicocin CS526. The aims of this study were to investigate the presence of Listeria monocytogenes in temperate seafood, namely fresh and smoked salmon, fresh and smoked haddock, and fresh mussels and oysters. Additionally, there was an aim to recover, characterise and use bacteriocin-like-substance to control Listeria monocytogenes in cold smoked haddock. Vibrio spp., Enterobacteriaceae representatives, total aerobic heterotrophic counts and Listeria monocytogenes were isolated from commercially prepared smoked and fresh Atlantic salmon, smoked and fresh haddock, live mussels and oysters using selective media and tryptone soya agar (TSA). Vibrio spp. occurred in high densities (>106 CFU gˉ1) in mussels and Enterobacteriaceae representatives were recorded at >106 CFU gˉ1 in fresh salmon. Total aerobic heterotrophic counts in fresh salmon, live mussels and oysters reached 107, > 107, and > 106 CFU gˉ1, respectively. Listeria monocytogenes was recorded at 5.0 x 104 CFU gˉ1 in mussels. In total sixty one bacterial isolates were recovered from the seafood examined. The results revealed 19 genera of bacteria, i.e. Acinetobacter, Aerococcus, Aeromonas, Bacillus, Brochothrix, Carnobacterium, Citrobacter, Corynebacterium, Enterobacter, Escherichia coli, Moraxella, Micrococcus, Pseudomonas, Psychrobacter, Serratia, Shewanella, Staphylococcus, Vibrio and Listeria. The prominent characteristics of fish spoilage isolates were demonstrated by the ability of the isolates to reduce trimethylamine oxide (TMAO) to trimethylamine, and to produce H₂S. Sh. baltica OS185, Aeromonas spp. HB-6, Sh. baltica, Sh. putrefaciens, A. hydrophila HX201006-3, A. salmonicida subsp. achromogenes, A. hydrophila, C. freundii, Enterobacter cloacae were strong producers of TMA and H₂S. The spoilage microorganisms were tested for potential pathogenicity. The result revealed that 6/15 of the spoilage microorganisms produced proteolytic, lecithinase, blood (β and α haemolysin) and elastinase activity, respectively, whereas 7/15 of the spoilage microorganisms showed lipolytic activity. Cell free supernatants, ammonium sulphate precipitated supernatants and semi-purified bacteriocin-like substances of Carnobacterium maltaromaticum MMF-32 and KOPRI 25789 producing strains isolated from commercially prepared smoked salmon were investigated for their potential antimicrobial activity against potentially pathogenic and food spoilage microorganisms. Generally, a broad spectrum of activity was revealed against potentially pathogenic and food spoilage microorganisms in vitro. Cold-smoked haddock treated with bacteriocin producing C. maltaromaticum MMF-32, C. piscicola A9b bacˉ phenotype nonbacteriocin producing strain a mutant of C. piscicola A9b bac+, cell free supernatants, ammonium sulphate precipitated supernatants and semi-purified bacteriocin-like substances was challenged with L. monocytogenes ATCC 19114 up to 103 CFU gˉ1, respectively. Samples were stored at 4 °C for 10 days. L. monocytogenes and total bacterial counts were determined along with changes in total volatile base nitrogen (TVBN) and biogenic amines production as well as texture, colour and odour. Although the study on anti-listerial effects of C. maltaromaticum MMF-32 was not successful, this organism did have a positive effect on retention of firmness and sensory perception in cold smoked haddock.