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Theses Year : 2011

Responses of Streptococcus salivarius K12 to mouth environment and oral dynamics simulated in bioreactor

Réponses de Streptococcus salivarius K12 à l'environnement et à la dynamique de la bouche simulés en bioréacteur

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Abstract

This thesis aims to better understand the effect of oral environmental conditions on the behaviorof the probiotic bacteria Streptococcus salivarius K12. Growth and maintenance of S. salivarius K12 have been characterized in a complemented artificial saliva (CAS), designed for this study. In this medium, S. salivarius demonstrated highspecific growth rate and low lag time, but it did not produce active bacteriocins. However, the survival of S. salivarius K12 during stationary phase was affected during fermentation in CAS medium. This was mainly explained by a reduced synthesis of proteins involved in energy and glycogen metabolisms. Thus, despite an increased sensitivity in stationary phase, the "complemented artificial saliva" allowed the growth and maintenance of S. salivarius K12. The effects of several environmental oral factors on S. salivarius K12 were determined in complemented artificial saliva. Adding sucrose decreased cellular viability. Enzymes added to their physiological concentration also affected the bacteria. Lysozyme increased S. salivarius mortality by acting on cellular wall. Peroxidase enhanced viability, by reducing the redox potential. The key role of redox potential on S. salivarius K12 was confirmed by the negative impact of the injection of air containing 5% CO2, which increased redox potential. The amylase demonstrated both positive (biomass increase) and negative roles (reduced growth rate). Consequently, studies involving oral bacteria must integrate these environmental factors that affected the bacterial physiological state. Continuous cultures, taking into account the variations in salivary flow and the periodical supply of nutrients, and combining all environmental conditions previously identified, allowed simulating oral dynamic conditions. From our results, a good adaptation of S. salivarius K12 took place in these culture conditions. Cells were able maintaining a constant level of cultivability despite nutritional starvation and wash out. Some molecular mechanisms explaining this bacterial adaptation have been characterized: activation of alternative carbon sources pathways, energy storage, and increase of natural genetic competence. Finally, this work made it possible identifying some mechanisms used by Streptococcussalivarius K12 to adapt itself to the oral environment, through the establishment of in vitro methods for studying the behavior of oral bacteria.
Ce travail de thèse vise à mieux comprendre l'effet de l'environnement buccal sur le comportement d'une bactérie orale probiotique, Streptococcus salivarius K12. La croissance et la maintenance de S. salivarius K12 ont tout d'abord été caractérisées dans une salive artificielle complémentée (CAS) conçue pour l'étude. Dans ce milieu, cette bactérie démontre un taux de croissance élevé et un temps de latence court, mais elle ne produit pas de bactériocines actives. La survie de S. salivarius K12 en phase stationnaire est, en revanche, affectée dans le milieu CAS. Ce phénomène est expliqué par une synthèse moindre des protéines impliquées dans le métabolisme énergétique, dont celui du glycogène. Toutefois, malgré une sensibilité accrue en phase stationnaire, le milieu CAS permet la croissance et la maintenance de S. salivarius K12. Les effets de plusieurs facteurs environnementaux spécifiques de la bouche, sur S. salivarius K12, ont été déterminés en milieu CAS. Ainsi, l'apport de saccharose, conduit à une dégradation de la viabilité. Des enzymes, ajoutées à leur concentration physiologique, affectent également les cellules bactériennes. Le lysozyme accroît la mortalité de S. salivarius par son action sur la paroi bactérienne. La peroxidase améliore sa viabilité en diminuant le potentiel redox du milieu. Le rôle clé du potentiel redox sur S. salivarius K12 est confirmé par l'impact négatif de l'injection d'air enrichi à 5% de CO2, qui accroît le potentiel redox. Enfin, l'amylase a démontré un rôle à la fois positif (augmentation de la biomasse) et négatif (diminution du taux de croissance). En conséquence, les études impliquant des bactéries orales se doivent de prendre en compte ces facteurs environnementaux influant sur les l'état physiologique bactérien. La mise en place de cultures continues respectant les variations de flux salivaire et permettant l'apport périodique de nutriments, tout en combinant l'ensemble des conditions environnementales identifiées précédemment, a permis de simuler la dynamique des conditions buccales. Les résultats démontrent que S. salivarius K12 est bien adapté à ces conditions de culture. Les cellules sont capables de se maintenir à un niveau de cultivabilité constant, malgré la carence nutritionnelle et le lessivage auxquels elles sont soumises. Certains mécanismes moléculaires expliquant cette adaptation ont été caractérisés : activation des voies d'utilisation de sources de carbone alternatives, stockage de l'énergie, augmentation de la compétence génétique naturelle. Finalement, ces travaux ont permis d'identifier certains mécanismes permettant à Streptococcus salivarius K12 de s'adapter à l'environnement buccal, grâce à la mise en place de méthodes d'étude in vitro du comportement des bactéries orales.
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Cite

Perrine Roger. Réponses de Streptococcus salivarius K12 à l'environnement et à la dynamique de la bouche simulés en bioréacteur. Biochimie, Biologie Moléculaire. AgroParisTech, 2011. Français. ⟨NNT : 2011AGPT0071⟩. ⟨pastel-01061385⟩
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