Biologie cellulaire des levures

2.2.1. Structure et organisation

Au microscope optique (Figure 10), les levures apparaissent comme des cellules individualisées, de forme généralement ovoïde, avec un diamètre compris entre 4 et 10 µm.

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Dans certains cas, des formes multicellulaires peuvent être observées. Selon les conditions, les cellules peuvent précipiter suite à une forte adhésion intercellulaire entre les parois. Ce

phénomène, appelé floculation, est très utilisé dans l’industrie de la brasserie pour favoriser la

sédimentation rapide dans les moûts. Une autre forme multicellulaire concerne les levures ascomycètes, qui peuvent former des thalles cloisonnés selon une croissance pseudo-hyphale.

Les différents composants cellulaires des levures peuvent être observés au microscope électronique (Figure 11). δ’élément le plus extérieur est la paroi cellulaire, dont l’épaisseur est de 70 ± 10 nm. Elle représente 15 à 18% des matières sèches cellulaires et est composée presque exclusivement de polysaccharides de glucanes et de mannanes. Son rôle est de protéger et maintenir la forme de la cellule en réponse aux variations de pressions osmotiques. La deuxième barrière de la cellule est la membrane cytoplasmique, composée principalement de lipides (phospholipides et stérols), de protéines et de lipoprotéines. A noter que les stérols synthétisés par les levures sont des ergostérols, molécule remplissant les mêmes fonctions que le cholestérol des cellules animales. La membrane assure trois fonctions principales qui sont : former une barrière extensible, contrôler l’entrée et la sortie des solutés et servir de point d’attache aux constituants de la paroi. Entre ces deux barrières, se situe l’espace périplasmique, qui contient des mannoprotéines avec une activité hydrolase essentielle pour le clivage des molécules complexes en constituants simples et assimilables.

Le cytoplasme contient de nombreux organites dont les principaux sont : (1) le réticulum

endoplasmique et l’appareil de Golgi, intervenant dans les phénomènes de maturation et de

sécrétion des protéines ; (2) le noyau, qui contient les chromosomes au nombre de 16 pour la forme haploïde ; (3) les vacuoles, lieux de stockage et équivalent des lysosomes des cellules animales ; (4) les ribosomes, site de synthèse des protéines ; (5) les mitochondries, siège de la respiration ; (6) les peroxysomes, site majeur des métabolismes impliquant l’oxygène moléculaire (détoxification, assimilation des acides gras, métabolisation du méthanol ou des alcanes).

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Figure 11. Représentation schématique de la structure d'une levure7.

2.2.2. Cycle cellulaire/ Mode de multiplication

Dans des conditions favorables, la multiplication des levures est dite végétative : une

cellule mère bourgeonne pour donner une cellule fille identique. C’est la reproduction asexuée.

Dans des conditions de carence en nutriments (azote, sucres), les levures se multiplient selon une reproduction sexuée. Les différents modes de reproduction sexuée observés chez les levures ont permis leur rattachement à trois classes du règne fongique : les ascomycètes (Saccharomyces, Kluyveromyces, Pichia), caractérisés par la présence d’asques à l’intérieur desquels se forment les ascopores suite à la méiose ; les basidiomycètes (Sporobolomyces), formant des basidiospores localisés à l’extérieur des basides ; et les deutéromycètes, regroupant

l’ensemble des levures dont le mode de reproduction sexuée n’est pas connu. D’un point de vue industriel, les basidiomycètes présentent peu d’intérêt : ce sont les ascomycètes qui sont

majoritairement employés, et, parmi cette classe, seulement une dizaine d’espèces sont exploitées, dont la plus utilisée est Saccharomyces cerevisiae.

7 _{Disponible à l’URδ :http://www.abmauri.fr/la-cellule-de-levure-une-veritable-usine-biologique.html (d’après :} Biolotechnologie des levures, « Ultrastructure des levures », de R. Bonaly)

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Le cycle le plus étudié est celui de la levure Saccharomyces cerevisiae (Figure 12). Dans des conditions défavorables, une cellule à 2n chromosomes déclenche la méiose et la sporulation pour donner lieu à un asque composé, en théorie, de quatre spores à n chromosomes. Deux

spores sont de signes a, les deux autres du signe α. Après germination, les facteurs a et α,

produits par leurs cellules respectives, jouent le rôle de phéromones : seules deux cellules de signes opposés peuvent se conjuguer pour former, après fécondation, un zygote à 2n chromosomes. Ce mode de reproduction est qualifié de sexué car il y a caryogamie et méiose dans le cycle, bien qu’aucun gamétocyste, formes sexuelles différenciées, ne soit synthétisé.

Figure 12. Cycle cellulaire de Saccharomyces cerevisiae8.

2.2.3. Métabolisme

δe terme métabolisme regroupe l’ensemble des réactions chimiques se déroulant dans les

cellules. Il associe les réactions cataboliques et anaboliques, correspondant respectivement à la fragmentation de molécules complexes en composés plus simples avec libération d’énergie et à la synthèse de molécules complexes à partir de précurseurs.

Contrairement aux micro-organismes autotrophes qui ne peuvent se développer qu’à partir

d’éléments minéraux, les levures sont des organismes hétérotrophes et nécessitent un apport en

molécules organiques pour alimenter leurs métabolismes carboné, azoté et soufré. La majorité

des levures sont saprophytes, c’est-à-dire qu’elles utilisent pour leur développement la matière

8 _{Extrait du cours « Les ascomycètes », de l’Unité d’Enseignement εycologie, Pharmacie 4}ème _{année, par le Pr.}

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organique inerte provenant notamment de la décomposition d’êtres vivants. D’autres sont

parasites et se nourrissent alors d’aliments carbonés pris au détriment d’un organisme hôte.

Parmi les levures, certaines sont aérobies obligatoires (Pichia sp., Yarrowia sp., Candida sp.), d’autres sont aérobies facultatives (Saccharomyces sp., Kluyveromyces sp.). La levure aérobie facultative la plus étudiée est Saccharomyces cerevisiae. Selon les conditions environnementales, elle tire son énergie de la respiration ou de la fermentation alcoolique (Tableau 12, Figure 13).

Figure 13. Représentation schématique des voies métaboliques de Saccharomyces cerevisiae.

En anaérobiose, c’est-à-dire en absence d’oxygène, le sucre est fermenté et l’oxydation du glucose est incomplète, conduisant à une faible libération d’énergie. Au contraire, en aérobiose,

l’oxydation du glucose est complète et le rendement énergétique est élevé grâce à l’intégration

du substrat carboné dans le cycle de Krebs au niveau des mitochondries. Il existe deux modes de passage de la fermentation à la respiration : un mode immédiat, impliquant des enzymes régulées par la concentration en pyruvate (pyruvate décarboxylase et pyruvate déshydrogénase) ; et un mode à plus long terme où la génétique intervient. En raison de son meilleur rendement énergétique, la voie respiratoire est utilisée préférentiellement par la levure. Toutefois, la

respiration n’est possible qu’en présence d’oxygène et à condition que la concentration en

glucose soit faible. Si la concentration en sucre augmente, la respiration est inhibée au profit de

la fermentation, malgré la disponibilité en oxygène. Ce basculement de l’état respiratoire à l’état fermentaire est appelé effet Crabtree ou effet glucose. Il s’agit d’une répression catabolique par

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propre métabolisme ou dans celui des autres sources de carbone. Une autre particularité du métabolisme de Saccharomyces cerevisiae est sa capacité à s’adapter à son environnement nutritif par des phénomènes de régulation métabolique appelés diauxie. Dans un premier temps, la levure est en mode fermentaire : elle dégrade le glucose et stocke l’énergie sous forme

externalisée, via l’éthanol. Dans un second temps, Saccharomyces réoriente son métabolisme vers la voie respiratoire et utilise alors l’éthanol précédemment formé comme substrat.

Tableau 12. Comparaison des caractéristiques de croissance selon les conditions.

Fermentation Respiration

Conditions Absence oxygène

Forte concentration en glucose

Présence oxygène Faible concentration en glucose

Bilan énergétique 1 glucose  2 ATP 1 glucose  34 ATP

Bilan global glucose  éthanol + CO2 glucose  H2O + CO2

Rendement énergétique Faible Fort

Vitesse Elevée Faible

Oxydation du glucose Incomplète Totale

Flux du glucose 10% pour la biomasse 50% pour la biomasse

Sources de carbones utilisées Sucres Sucres, Acides organiques, Alcools

La levure Pichia pastoris, aérobie stricte, n’est pas capable de vivre en conditions anaérobies : la respiration est obligatoire. εais cette levure présente la particularité d’être

méthylotrophe, c’est-à-dire qu’elle est capable d’oxyder le méthanol par respiration, grâce à l’action d’enzymes spécifiques, les alcools oxydases (cf. Chapitre IV, §3.1.2. Pichia pastoris :

une levure méthylotrophe).