Lactococcus lactis (ou lactocoque lactique) est une bactérie à Gram positif, non mobile, non sporulante, mesurant en moyenne de 0,5 à . Les cellules de ce micro-organisme se regroupent habituellement en paires ou en courtes chaînes et sont communément isolées dans les produits végétaux, céréales, haricots, pois, pomme de terre, etc. Avec leur microflore fongique et microbienne très diversifiée, les lait crus de ruminants sont des milieux naturellement riches en lactocoques. On considère que la surface des trayons constitue la principale source de contamination du lait.
Lactococcus lactis est une bactérie lactique homofermentaire, son métabolisme est hétérotrophe, anaérobie aérotolérante. Sa température optimale de croissance se situe aux environs de (elle est dite mésophile). Elle comporte habituellement un ou plusieurs plasmides portant des gènes codant des fonctions d'adaptation à l'environnement.
Les deux sous-espèces lactiques L. lactis subsp. lactis et subsp. cremoris sont largement utilisées dans les levains laitiers pour la fabrication de fromages ou d'autres produits laitiers fermentés. Un biovar de la sous-espèce lactis, nommé diacetylactis, est capable de métaboliser les citrates en diacétyle et acétoïne, conduisant à la flaveur caractéristique des fromages frais.
L. lactis est une bactérie modèle pour la recherche fondamentale qui est depuis plusieurs décennies, l'objet de très nombreuses études. C'est aussi la première bactérie lactique dont le génome a été entièrement séquencé. Taxonomie Depuis les premières descriptions de Lactococcus lactis par Lister en 18731873 d'après The Taxonomicon et 1878 pour Pot B, Ludwig W, Kersters K, Schleifer KH, Taxonomy of lactic acid bacteria In Bacteriocins of Lactic Acid Bacteria, Edited by de Vuyst L, Vandamme EJ. New York: Blackie Academic & Professional; 1994:13-89 puis par Orla-Jensen en 1919 sous deux autres noms, la classification taxonomique de cette bactérie a passablement changé. Elle fut d'abord désignée comme un streptocoque lactique car elle était en forme de coque et se regroupait en chaînettes de longueurs variables. Les études de Schleifer et coll. (1985) ont ensuite justifié la création d'un nouveau genre bactérien nommé Lactococcus regroupant la quasi-totalité des streptocoques d'un ancien groupe N. La bactérie fut donc nommée Lactococcus lactis et regroupée avec les espèces garviae, piscium, plantarum, raffinolactis. C'est aussi à cette époque qu'elle fut reconnue comme agent primaire de l'acidification du lait caillé.
La taxonomie de L. lactis basée sur le phénotype comporte quatre sous-espèces : Lactococcus lactis subsp. lactis L. l. lactis biovar. diacetylactis Lactococcus lactis subsp. cremoris, devenu Lactococcus cremoris (Orla-Jensen 1919) Li & al. 2021, d'après (Synonyme: Streptococcus cremoris) Lactococcus lactis subsp. hordniae Lactococcus lactis subsp. tructae, devenu Lactococcus cremoris subsp. tructae (Pérez & al. 2011) Li & al. 2021, d'après
Les sous-espèces La sous-espèce lactis peut être distinguée par sa plus grande résistance au stress : elle est capable de croître à ou en présence de 4 % de NaCl. Elle est de plus capable de produire de l'ammoniac à partir d'arginine. Les souches de la biovar diacetylactis sont capables de métaboliser le citrate et de le convertir en diacétyle, un composé aromatique apprécié en fromagerie pour son arôme de beurre.
Les deux sous-espèces L. lactis subsp. lactis et L. lactis subsp. cremoris sont les plus intéressantes pour la production fromagère puisqu'elles entrent dans la composition de la quasi-totalité des levains fromagers. La sous-espèce lactis est mieux adaptée à la fabrication des fromages à pâte fraiche ou molle et la sous-espèce cremoris pour ceux à pâte pressée. Cette dernière est en outre réputée faire des fromages de meilleure qualité en raison de sa contribution spécifique à la saveur. En dehors de l'environnement laitier, la sous-espèce L. lactis subsp. lactis a été isolée sur des végétaux, dans l'appareil uro-génital féminin et le système gastro-intestinal de certains poissons d'eau douce. Par contre, les tentatives d'isoler des souches sauvages de phénotype cremosis ou diacetylactis dans l'environnement ont rencontré peu de succès. Les levains fromagers et en particulier ceux de phénotypes cremosis et diacetylactis ont été sélectionnés pour leur rôle dans la production de fromages et ont évolué en conséquence, si bien qu'ils ne sont plus aptes à survivre hors de l'environnement des laiteries.
Les sous-espèces hordniae et tructae n'ont pas été isolées dans les produits laitiers mais la première a été isolée d'une cicadelle (Hordnia circellata) et la seconde du mucus intestinal de la truite brune (Salmo trutta) et de la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss) . La génétique Le séquençage du génome de la souche IL1403 de Lactococcus lactis ssp. lactis a été réalisée en 2001 par A. Bolotin et als. Par la suite, de nombreuses souches ont été séquencées. En 2013, étaient séquencées et disponibles dans la base de données GenBank (NCBI) les génomes des souches de L. lactis subsp. cremoris MG1363, NZ9000, SK11, A76, UC509.9 etc. et pour L. lactis subsp. lactis les souches IL1403, KF147, CV56, IO-1 etc.
Parmi toutes ces souches, L. lactis subsp. cremoris MG1363 est sans conteste la souche modèle pour l'étude de la génétique des bactéries lactiques et le développement d'applications biotechnologiques. Cette souche qui ne contient aucun plasmide permet l'introduction de gènes de lactocoques supplémentaires et de gènes provenant d'un autre organisme (gènes hétérologues) en raison de la stabilité de son génome. De nombreuses fonctions essentielles pour la réussite de la fermentation sont portées par des plasmides.
Le lait est un habitat privilégié des lactocoques où on les trouve à des niveaux pouvant varier de 10 à . Les multiples études génétiques des isolats de laiteries ont mis en évidence deux grands génotypes, nommés génotype cremosis et génotype lactis, (voir tableau 1, les boîtes dans l'avant dernière colonne) qui ne correspondent pas toujours aux phénotypes. Ainsi dans le génotype cremosis, on a des souches de phénotypes lactis (MG1363) et cremosis (SK11) et de même avec le groupe des génotypes lactis, il y a des phénotypes lactis (KF147) mais aussi des phénotypes biovar diacetylactis (IL594). Pour illustrer ce phénomène, citons l'étude de Corroler (1999) menée dans la zone d'appellation « camembert de Normandie » sur la biodiversité des lactococoques originels des laits crus. La flore des Lactococcus de six exploitations laitières a été caractérisée sur les plans phénotypique et génotypique, au cours de deux saisons. L'analyse phénotypique a montré une représentation exclusive de Lactococcus lactis subsp. lactis alors que l'analyse génotypique révélait la présence des deux sous-espèces lactis et cremosis au sein des différentes exploitations.
Métabolisme des glucides
La bactérie Lactococcus lactis est très utilisée dans la fabrication du fromage en raison de son aptitude à acidifier le milieu pour faciliter la formation du caillé mais aussi en raison de sa participation à la texture et à la saveur du produit fermenté. Le principal mécanisme détourné par l'homme est le catabolisme des sucres qui est naturellement utilisé par les lactocoques pour tirer leur énergie de l'environnement. La croissance de L. lactis dans le lait s'accompagne d'une conversion rapide du lactose en acide lactique. C'est cette acidification du milieu qui protégera ensuite le produit fermenté de la contamination par des bactéries pathogènes ou d'altération, facilitera la formation du caillé et créera les conditions optimum pour l'affinage.
Le lactose est le principal sucre du lait et son transport à l'intérieur de la bactérie, son métabolisme, la formation d'acide lactique et son expulsion extracellulaire ont été bien étudiés. Le lactose est un disaccharide formé d'un galactose lié à un glucose.
Le transport des sucres à l'intérieur de la bactérie
Chez L. lactis le transport membranaire des sucres à l'intérieur est assuré principalement par deux procédés : le système phosphotransférase phosphoénolpyruvate dépendant ou PTS qui couple le transport et la phosphorylation du glucide et le système perméase qui couple la translocation du sucre à celle d'un proton, suivi d'une phosphorylation ultérieure dans la cellule.
Le système phosphotransférase spécifique du lactose () a une forte affinité pour ce sucre et réalise un transport très efficace sur le plan énergétique puisqu'une molécule de lactose est transportée et phosphorylée au prix d'un seul équivalent ATP. Le lactose est ensuite hydrolysé par la P-β-galactosidase en glucose et galactose-6-P qui vont rejoindre la glycolyse suivant des voies différentes. Alors que le glucose emprunte directement la voie de la glycolyseou voie d'Embden-Meyerhof-Parnas , le galactose-6-P doit passer par la voie du tagatose avant d'entrer dans la glycolyse. L'opéron engagé dans cette fermentation homolactiqueune homofermentation qui convertit plus de 90 % du pyruvate en lactate est dite homolactique rapide sont habituellement situés sur un plasmide (lac-plasmide).
Les souches de L. lactis qui fermentent lentement le lactose produisent généralement divers produits finaux comme des acétates, formiates, éthanol et lactate. Le métabolisme lent du lactose est lié à un système perméase-β-galactosidase () qui ne se rencontre que chez peu de souches laitières de L. lactis comme IL1403, et chez deux souches non laitières (NCDO2054 et KF147 isolée dans les germes de haricots mungo). Après son transfert via le système perméase, le lactose est hydrolysé en glucose et galactose (par la β-galactosidase) qui rejoignent la voie de glycolyse par des voies différentes. Le glucose emprunte directement la voie de la glycolyse alors que le galactose est dirigé vers la voie de Leloir avant de rejoindre la glycolyse (voir figure 1). Finalement, il semble que le système perméase-β-galactosidase ne joue qu'un rôle mineur dans l'assimilation du lactose par les souches de L. lactis.
Les lactocoques cultivés dans un milieu riche en lactose comme le lait, absorbent le lactose mais en présence d'autres sucres, ils sont aussi aptes à les absorber et les métaboliser. Ainsi, le système de transport principal du glucose de L. lactis est le mannose-PTS () qui peut aussi transporter le mannose, la glucosamine et le fructose.
Outre le lactose et le glucose, les systèmes PTS peuvent transporter aussi des β-glucosides tels que l'amygdaline, l'arbutine, le cellobiose, l'esculine et la salicine. À part l'amygdaline, ces molécules sont constituées d'un aglycone relié par une liaison β-glucoside à au moins un sucre. Le cellobiose est l'unité structurale du polymère le plus abondant sur terre, la cellulose. Après translocation par le système PTS, le P-glucoside est hydrolysé en glucose et glucose-6-P ou les divers aglycones.
La glycolyse La glycolyse est la voie principale du métabolisme du glucose. Cette voie est rejointe directement ou en cours de route par les produits résultant du clivage du lactose (en glucose et galactose), via la voie de Leloir ou du la voie du tagatose.
La glycolyse est un mécanisme de régénération d'énergie sous forme d'ATP qui ne nécessite pas d'oxygène. Une mole de glucose produit deux moles de pyruvate et deux moles d'ATP.
Pour les bactéries lactiques homofermentaires comme le Lactococcus lactis, le pyruvate est ensuite transformé en acide lactique (lactate), produit essentiel de la fermentation lactique anaérobie, grâce à une lactate déshydrogénase (LDH).
Métabolisme du citrate