Biotransformation en anaérobiose

En anaérobiose, l’absence de l’oxygène rend les microbes théoriquement incapables d’utiliser des terpènes surtout ceux présentant un faible nombre des groupement fonctionnels. Néanmoins, l’isolement de certaines bactéries anaérobies (dénitrifiantes ou méthanogènes) consommant des alcanes (Aeckersberg et al., 1991; Rueter et al., 1994) ou des hydrocarbones aromatiques (Dolfing, 1990; Lovley et Lonergan, 1990 ) comme seule source de carbone et d’énergie a montré que la biodégradation anaérobie de nombreux composés naturels de faible poids moléculaire est ainsi possible.

2.2.2.3.1. Les bactéries dénitrifiantes

Certaines bactéries dénitrifiantes sont capables de se développer sur plusieurs monoterpènes. Pour les monoterpènes aliphatiques (linéaire), le groupement méthyle empêche le métabolisme des terpènes par la voie métabolique de β-oxydation des acides gras. Pour cela les études effectuées par Seubert et al. (1964) ont montré que le β-méthyle-α,β-en-acide CoA thioester est capable d’enlever ce groupement méthyle sous forme d’acétate par une carboxylation préalable. Puisque cette voie est indépendante de l'oxygène moléculaire, elle

41 peut également être présente dans les microorganismes anaérobies dégradant les terpènes. La transformation en anaérobiose du linalool (monoterpène aliphatique) en géraniol par Thauera linaloolentis (Foss et Harder, 1997) est une isomérisation qui peut être considérée comme une phase initiale dans le métabolisme anaérobie du linalool (Figure B13).

Figure B 13: Les initiales du métabolique du linalool

Pour les monoterpènes cycliques, les voies biochimiques connues suggèrent la nécessité de la rupture d’une liaison carbone-carbone dans la structure cyclique pour l'oxydation complète. Durante ces dernières années plusieurs voies métaboliques anaérobiose conduisant à l’ouverture du cycle carboné ont été déterminées. Certains substances aromatiques sont transformées en benzoate, qui subit ensuite une réduction de cycle carboné et la formation β-oxo-carboxylique-CoA ester, ce-dernier subissant une béta-oxydation analogue de celle des acides gras (Koch et al., 1993). La dégradation des monoterpènes monocycliques contenant un groupe hydroxyle (par exemple, le menthol, (fig. B14) peut être effectuée par une voie métabolique semblable, en supposant que la chaîne latérale d'isopropyle n’inhibe pas cette voie. La dégradation en anaérobie des composés contenant une double liaison (menthène, phellandrène) a été précédemment observée, quand l’hexadecène a été employé comme seul substrat pour les bactéries réductrices de sulfate et nitrate (Aeckersberg et al., 1991; Gilewicz et al., 1991). Pour ces dernières, la dégradation peut être initiée en ajoutant une molécule d’eau au double liaison, et l'alcool formé peut être ensuite orienté vers une voie de β-oxydation.

Un réarrangement du squelette carboné est la voie métabolique typique des monoterpènes bicycliques. Cependant, ces réactions ont besoin de lumière ou d’une activation par la chaleur. La catalyse enzymatique peut conduire à l’ouverture d’un cycle par l'intermédiaire de cations ou de radicaux libres, de façon semblable à la catalyse enzymatique des dérivés du cyclopropane (Suckling, 1988).

Plus récemment, il a été suggéré que les monoterpènes insaturés peuvent être transformés initialement en acides organiques dans les conditions d’anaérobiose, puisque les

42 intermédiaires dans les voies cataboliques sont habituellement les acides organiques, comme dans le cycle du citrate. C’est le cas avec β-proteobacterium Alcaligenes defragrans, une bactérie dénitrifiante produisant de l’acide géranique en présence de β-myrcène, d’α- phellandrène, de limonène, et de l’α-pinène en milieu contenant des nitrates en conditions d’anaérobiose (Heyen et Harder , 2000). Harder et Probian (1995) ont également observé que Pseudomonas citronellolis DSM 50332 isolé du sol de forêt de pin se développe en anaérobiose sur le citronellol et le 3,7 dimethyl-1-octanol tandis que sur d’autres monoterpènes comme le géraniol, le nérol ou les monoterpènes acycliques, aucune croissance n’est observée. Ces auteurs ont aussi remarqué une croissance même sur ces dernières (géraniol et nérol), mais dans une culture anaérobiose enrichie en nitrates. Ils ont constaté une dénitrification par cette bactérie en ajoutant des monoterpènes ( (+)-trans iso limonène; (+) limonène; p- menth-1-ene; (-)-α- phellandrène; (+) -2- carène; (+)-3-carène; eucalyptol ; (-)- α-pinène et α+β-thujone. L’ion nitrate (accepteur d’électron) se réduit en nitrite, ce qui provoque la biotransformation de ces terpènes en d’autre composés, comme dans le cas du linalool qui se transforme en géraniol et géranial.

Figure B 14: La voie métabolique proposée à l’ouverture du cycle du menthol conduisant à une β- oxydation semblable à celle des acides gras

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2.2.2.3.2. Les bactéries méthanogènes

Un milieu méthanogène peut aussi créer des conditions favorables à la dégradation des terpènes : dans ces conditions les équivalents redox provenant de l’oxydation des terpènes peuvent conduire à la production de CH4. La formation du p-cymène à partir du 2-carène, du

3-carene et de l’α-pinène était le premier signe de leur métabolisme anaérobiose microbien (Harder et Probian, 1995). De même, une transformation du sabinène et de l’α-phellandrène en p-cymène dans un milieu méthanogène issu de boues d’épuration a également été rapportée. (Foss et al. , 1998).

Une nouvelle voie métabolique de la formation du p-cymène, et du mentha-1,3-dien-7- ol à partir de l’α-terpinène dans des conditions méthanogènes par des bactéries intestinales des larves de vers gris commun a été rapporté (Miyazawa et al. , 1996). En effet une grande partie des produits odorants isolés du tube digestif des insectes sont des produits terpéniques élaborés par les microorganismes à partir des terpènes ingérés : c’est le cas de l’ -terpinène qui a été transformé en p-cymène. Rutledge, (1981) a mis en évidence la transformation de certains aldéhydes (myrténal, citral, citronellal, benzaldéhyde, géranial et néral ) par une souche de bactérie (Serattia,X1) isolée du tube digestif de Phloeosinus armtus, un insecte Scolytidae, parasite des conifères. Cette bactérie réduit ces aldéhydes en alcools correspondants comme le nérol, le citronellol, le géraniol, le myrténol et l’alcool benzylique. Les même résultats ont été observés avec une souche de champignon (Candida tenuis) isolé du tube digestif d’une larve (Phoracantha semipunctata) qui transforme certains aldéhydes (citral, myrténal, citronellal) en alcools correspondants; ce champignon est par ailleurs capable de transformer de quelques cétones comme le carvone et le verbénone en alcools (Cheynier, 1983).

2.2.2.3.3. Biotransformation des terpènes par la flore microbienne du rumen

Le rumen est un écosystème qui abrite plusieurs types de microorganismes qui majoritairement sont anaérobies ou anaérobies facultatifs. Le rumen est un milieu caractérisé par ses conditions d’anaérobiose et la méthanogènèse, qui peuvent favoriser la biodégradation des terpènes. Il n’existe néanmoins aucun essai expérimental in vitro ou in vivo concernant la biodégradation de ces molécules par la flore microbienne, ce qui était l’un des objectifs ce travail (Articles 3, 4).

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2.2.4. Conclusion

Comme discuté dans le chapitre précédant, l’activité antimicrobienne des terpènes est une propriété relative qui peut être changé en fonction du type de terpène et du type de microorganisme. Il semble que les microbes résistants à un terpène donné soient dans certains cas capables de les consommer comme source de carbone, en effet c’est une action-réaction réciproque, les terpènes possédant une activité antimicrobienne moins forte comme les hydrocarbones, sont plus souvent dégradés par certains microorganismes.

La biodégradation de plusieurs terpènes par les microorganismes anaérobies notamment les méthanogènes signifie que la flore microbienne présente dans le rumen probablement aura la possibilité d’intervenir dans le métabolisme de ces substances, cela a été démontré par un essai in vitro récent (Broudiscou et al., 2007) les études supplémentaires que nous avons réalisées peuvent fournir des informations expliquant l’efficacité de certaines de ces composés comme additif pour moduler le métabolisme du rumen, ou expliquer la faisabilité d’utiliser les terpènes dans la traçabilité des produits animaux.