Améliorer la qualité, la sécurité et la durabilité des légumes et boissons fermentés en utilisant une approche d'écologie synthétique et de modélisation fondées sur la connaissance – MetaSimFOOD

Pour répondre aux objectifs scientifiques et appliquer une démarche d’écologie synthétique aux aliments fermentés, Le projet METASIMFOOD a adopté une approche prédictive et globale, en développant quatre leviers complémentaires :

1. Renforcer la caractérisation génomique de la biodiversité des souches microbiennes alimentaires disponibles dans deux grands centres de ressources biologiques Nationaux (Université de Bordeaux pour l’œnologie, INRAE de Rennes pour les légumes fermentés). Intégrer cette connaissance inédite et s’en servir comme un réservoir d’exploration pour la conception des solutions microbiennes.

2. Faire de la conception guidée des communautés microbiennes (équipes de microbes ou consortia) assemblées sur mesure pour cibler des fonctions ou des cinétiques de fermentations précises. Adopter un processus d’itérations expérimentales en laboratoire intégrant l’impact de différents facteurs comme la température, les matières premières ou la réduction de sulfites sur la qualité du produit final.

3. S’appuyer sur des mesures fonctionnelles massives (omiques) et des outils d’analyses bio-informatiques et de modélisation pour prédire et piloter l’amélioration des solutions microbiennes au fur et à mesure des itérations expérimentales sur les deux modèles d’aliments fermentés. Notamment, les partenaires du projet ont collaboré pour l’élaboration de plans expérimentaux factoriels et la construction réseaux écologiques pour identifier les variables clés qui influencent les interactions métaboliques au sein des communautés.

4. Valider à l’échelle pilote et à l’échelle sensorielle les solutions microbiennes conceptualisées dans le projet. Amorcer, en collaboration avec des acteurs clés (artisans et industriels) des filière agro‑alimentaire concernées, un transfert possible des nouvelles solutions innovantes.

En résumé, METASIMFOOD a combiné la création de communautés microbiennes sur mesure, une expérimentation rigoureuse et une analyse multi omiques poussée, soutenues par des outils informatiques novateurs, pour comprendre et contrôler les fermentations alimentaires de façon prévisible et éco responsable.

Des fermentations alimentaires repensées grâce à la science et à l’innovation. Les résultats et les acquis de connaissance du projet METASIMFOOD ont eu un impact à trois niveaux.

1 - Pour la science :

Découverte de changements fonctionnels identifiés dans la fermentation des légumes, liés à la température. En fonction de ce paramètre, les communautés microbiennes évoluent selon plusieurs scénarios fonctionnels avec des répercussions en terme sensoriel. Découverte également sur le rôle des sulfites vis-à-vis des populations de levures dans le vin avec un impact sensoriel. Ces découvertes ouvrent la voie à des stratégies de contrôle naturel des fermentations et à la conception orientée de solutions microbiennes.

Création de la plateforme F3M (Food Microbiome Metabolic Modules) : un logiciel open source qui regroupe ~ 1 985 gènes répartis en 183 modules métaboliques, facilitant l’analyse fonctionnelle des microbiomes alimentaires et la conception prédictive de nouvelles fermentations.  

Des méthodes, des outils d’analyses et des jeux de données à grande échelle déposés dans le dataverse gouvernemental du projet, accessibles de manière ouverte aux scientifiques et industriels du monde entier. Une stratégie expérimentale qui réinvente l’étude des fermentations en combinant : écologie synthétique (création de microbiotes sur mesure), Big Data (analyse de données génomiques et métaboliques), modélisation (outils prédictifs) et validation pilote.

2. Pour les consommateurs :

METASIMFOOD a offert une réponse concrète aux attentes des consommateurs : Des aliments plus sains : moins de conservateurs (sulfites), moins de risques de contamination. Une production plus durable : réduction du gaspillage par la maîtrise des fermentations spontanées, adaptation des fermentations aux variations climatiques. Un soutien aux artisans : des outils pour innover sans renoncer à leur savoir-faire. Une transparence accrue : grâce à la science ouverte, chacun peut comprendre et s’approprier ces innovations.

3. Pour l’innovation technologique et l’industrie :

Des Aliments fermentés plus innovants et une biodiversité microbienne valorisée. Deux nouvelles communautés microbiennes ont été conçues spécialement pour la choucroute d’été et d’hiver. Elles offrent un profil sensoriel nettement supérieur aux fermentations spontanées classiques. Deux solutions microbiennes ont été sélectionnées pour le vin rouge et le vin blanc. Elles permettent d’envisager une diminution de l’usage des sulfites, un conservateur souvent critiqué.

Un processus d’innovation transférable pour la recherche & développement en industrie agro-alimentaire. Dans le domaine des aliments fermentés, METASIMFOOD démontre des possibilités créatives sur des solutions microbiennes pour plus de résilience climatique : des fermentations adaptées aux variations de température et plus de flexibilité : des recettes modifiables selon les matières premières disponibles.

Et demain ? Vers une fermentation "intelligente" et durable.

METASIMFOOD a consolidé un socle solide de connaissance et a posé les bases d’une nouvelle méthodologie pour créer des solutions microbiennes sur mesure pour les aliments fermentés. Ces résultats sont déjà exploités dans le cadre du projet européen DOMINO (2023–2028) avec notamment le déploiement et l’extension des méthodes à d’autres produits (kimchi, céréales et légumineuses fermentées etc.). Ce projet Européen poursuit la transformation de la biodiversité microbienne en solutions nutritionnelles « clean label », en s’appuyant sur les outils bio informatiques et les protocoles d’expérimentation éprouvés par METASIMFOOD. Par ailleurs, DOMINO offrira un engagement plus fort encore pour créer un pont entre recherche fondamentale et applications industrielles, avec un focus sur l’acceptabilité sociétale et réglementaire des prototypes d’aliments fermentés. Dans DOMINO, l’alliance science-industrie-consommateurs a été accentuée afin de faciliter la démarche de validation des prototypes à l’échelle pilote et des études de leur acceptation par les consommateurs. Des travaux spécifiques sont prévus pour identifier les barrières culturelles (méfiance des artisans) et économiques de ces nouveaux types d’aliments ou de ce changement de pratiques de production.

Ouverture vers le futur : Les outils comme F3M ou les biobanques de souches sont des éléments clés pour améliorer et augmenter la prédictivité et la reproductibilité des processus de création de nouvelles solutions microbiennes pour l’alimentation. A ce titre, il est prévu une extension et amélioration de l’outil F3M qui sera enrichi d’annotations fonctionnelles supplémentaires, notamment pour les levures, afin d’offrir une couverture fonctionnelle plus complète. Cette mise à jour, prévue à l’automne 2026, permettra d’analyser plus finement les communautés microbiennes et d’affiner la conception de nouveaux consortia.

En résumé, le projet METASIMFOOD continu à vivre à travers d’autres projets de recherches et la valorisation de ces résultats s’échelonneront sur plusieurs années.

La consommation croissante d'aliments et de boissons fermentés est l'une des transitions alimentaires actuellement observées dans nos sociétés. Cependant, la forte demande pour le clean label (rejet des conservateurs) et pour des pratiques agricoles durables (itinéraires bio avec modification des intrants par exemple) peut entraîner des modifications de qualité et de sécurité pour ces aliments, notamment ceux fabriqués à partir de produits végétaux (légumes et fruits). Certaines matières premières subissent en effet des modifications biochimiques (notamment de contenu en sucres) dues au changement climatique et à l’augmentation des stress hydriques. Ce changement des matières premières entraîne des modifications imprévues de l’écologie microbienne qui peuvent être préjudiciables au bon déroulement des procédés de fermentations et à la qualité des aliments et boissons fermentés. Dans ce contexte, le développement d’approches scientifiques génériques pour aider à comprendre rapidement et anticiper les effets des changements multiples et complexes dans ces productions est un besoin réel.
Des approches d'écologie microbienne sont nécessaires pour comprendre et anticiper ces changements mais les solutions à apporter devront se focaliser des approches durables, notamment en utilisant le levier des micro-organismes. Nous appliquerons cette approche à deux types d’aliments fermentés : le vin (liquide) et des légumes (solide) et pour lesquels des défis différents se posent : A) le vin en vue d’une production de boisson à faible teneur en alcool dans un contexte de changement climatique, d’itinéraire agronomique biologique et de réduction de la teneur en sulfites ; B) divers légumes fermentés répondant à des enjeux de salubrité et de qualité sanitaire dans un contexte de changement d’échelle de production (domestique versus semi-industrielle), de production biologique et de réduction de la teneur en sel.

L’enjeu du projet est de développer une démarche cognitive en utilisant une approche d'écologie synthétique qui vise, au travers de la reconstitution d’aliments modèles, la prédiction du comportement de communautés microbiennes sous différentes contraintes. L’objectif de cette stratégie consiste à démontrer que la production de données méta-omique (expressions de gènes à l’échelle de l’écosystème ; analyses globales des métabolites produits) organisées en réseaux écologiques microbiens par des approches computationnelles, est pertinente pour anticiper les impacts décrits ci-dessus. Par ailleurs, le projet tirera parti de la biodiversité des souches microbiennes déjà disponibles dans des collections publiques pour la construction raisonnée, de microbiotes à façon basés sur l’association des propriétés fonctionnelles requises pour s’adapter au réseau écologique attendu (changements). Enfin nos hypothèses et solutions seront vérifiées à l’échelle pilote des fermentations (aliments réels) pour évaluer leur validité et la pertinence organoleptiques et/ou nutritionnelles des solutions obtenues sur les aliments modèles et simplifiés.
Dans un contexte où les aliments fermentés sont au cœur d’un enjeu sociétal (transition alimentaire, nutrition saine) et environnementale (durabilité des productions et des procédés), les résultats du projet METASIMFOOD auront trois impacts majeurs. Nous démontrerons l’efficacité et la rapidité de la discipline scientifique d’écologie synthétique à prévoir, anticiper et maîtriser le comportement des communautés microbiennes intervenant dans les processus de fermentations alimentaires. Notre projet servira de levier pour le déploiement de cette stratégie à d’autres exemples d’aliments. Il apportera le socle de connaissances nécessaires pour l’élaboration de programmes de recherche en aval avec des partenaires industriels dans le domaine des aliments fermentés. Enfin, nous assurerons une communication très forte vers le grand public avec un objectif éducatif et de vulgarisation.