[Thèse] Rafael Jimenez Lorenzo, Soutenance de thèse jeudi 16 décembre 2021

Comprendre la production des composés volatils soufrés par Saccharomyces cerevisiae pendant la fermentation œnologique

Le contrôle de la formation des composés soufrés volatils (CSV), associés au défaut de réduction des vins, est un enjeu actuel pour le vinificateur, dans un marché mondialisé, de plus en plus compétitif et en demande de qualité. Ces molécules, appartenant principalement aux familles chimiques des thiols, thioesters, sulfures et disulfures, sont formées au cours de la fermentation et du vieillissement des vins, par le métabolisme des levures et par des réactions chimiques, aussi responsables de nombreuses interconversions entre ces composés. L'objectif principal de ce projet était de fournir une vision globale de la formation des CSVs pendant la fermentation et de sa régulation par des facteurs génétiques et environnementaux. En comparant le profil de production de CSVs de 40 levures, une importante diversité au sein des espèces Saccharomyces cerevisiae dans leur capacité à synthétiser les CSV a été montrée ; à l’inverse, les levures non-Saccharomyces sont faibles productrices de CSVs. Ensuite, la disponibilité en azote assimilable par la levure, en acide pantothénique et en acides aminés soufrés a été identifiée comme paramètre ayant le plus grand impact sur la production de CSVs par S. cerevisae, tandis que le pH et la concentration en sucres ou en sulfites n’ont que peu d’incidence. Pour élucider les bases métaboliques, chimiques et moléculaires de cette production et mieux comprendre les mécanismes de régulation sous-jacents, deux approches complémentaires ont été menées : (i) une approche génétique a montré que seule la disponibilité en cystéine et en acide pantothénique conduit à un remodelage du métabolisme du soufre (analyse de l'expression différentielle des gènes) et que quelques gènes du métabolisme du soufre (ATF1, ARO8) sont directement impliqués formation des CSVs (analyse fonctionnelle) ; (ii) une approche chimique consistant à ajouter des composés soufrés en cours de fermentation et à incuber les échantillons en présence ou absence de cellules, qui a permis de différencier les réactions enzymatiques et chimiques du réseau des CSVs et d'élucider les interconnexions entre composés. La dynamique de la formation des CSVs a été suivie dans des échantillons liquides et dans l'espace de tête des fermenteurs, directement connecté à un dispositif de chromatographie pour détecter les composés extrêmement volatils. La séquence de production des CSVs et l’accumulation transitoire de certaines molécules, ont donc été établies, élargissant nos connaissances sur la formation et l’origine des CSVs pendant la fermentation.

Contact : Carole Camarasa (INRAE, UMR SPO)

Control of the production of volatile sulfur compounds by Saccharomyces cerevisiae during fermentation to enhance aromatic profiles of wine

Abstract: The control of the formation of volatile sulfur compounds (VSCs), considered as responsible for the reduction fault of wines is a current issue for winemakers, in a globalized market, increasingly competitive and in demand of quality. These molecules, belonging mainly to the chemical families of thiols, thioesters, sulfides and disulfides, are formed during the fermentation and aging of wines, through the metabolism of yeast but also by chemical reactions, also responsible for many interconversions between these compounds. The main objective of this project was to provide a comprehensive view of the formation of VSCs during fermentation and its regulation by genetic and environmental factors. Comparing the VSCs production profile of 40 wine strains revealed an important diversity within Saccharomyces cerevisiae species in their capacity to synthetize VSCs, while non-Saccharomyces yeasts appeared as low VSCs producers. Then, the availabilities in yeast assimilable nitrogen), pantothenic acid and sulphur-containing amino acid were identified as the environmental parameters with the greatest impact on the VSCs production by S. cerevisae, while pH, sugars and sulfite concentrations displayed a non-significant incidence. To elucidate the metabolic, chemical and molecular basis of these production and the better understand the underlying regulatory mechanisms, two complementary approaches were carried out: (i) a genetic approach showed that only cysteine and pantothenic acid availability triggers remodeling of the sulfur metabolism (differential gene expression analysis) and that a few number of genes of sulfur metabolism (ATF1, ARO8) directly contribute to VSCs formation (gene functional analysis). (ii) a chemical approach spiking ongoing fermentation with sulfur compounds and incubating samples with and without cells, enabling to discriminate between enzymatic and chemical reactions within the VSCs network and to unravel the interconnections between compounds. Finally, the dynamics of formation of VSCs was monitored both in liquid samples and in the headspace of fermenters, directly connected to a gas chromatography device to detect extremely volatile compounds. The sequence of VSCs production, including the transient formation of some molecules, was therefore established, extending our knowledge on their formation and origin during wine fermentation.