Abstract
Sourdough, one of the oldest examples of natural starters, is a complex and dynamic metacommunity of interacting microbial players (dominants, sub-dominants and satellites), whose structure and function are influenced by continuous environmental inoculation and stimuli, and spatiotemporal changes. The main secret for sourdough performance lies in its microbial diversity and complexity. This thesis aims to explain the metabolic networking among players to build up very robust sourdoughs, which are resilient to overcome the most frequently occurring causes of disturbance and may guarantee the stability for long-time use. The biobank used in this thesis comprised dominant, sub-dominant and satellite players from eight spontaneous sourdoughs. Metagenomics was used to explain the sourdough genetic potential while metatranscriptomics defined the metabolically active players. Spontaneous sourdoughs shared more than one thousand genes, but numerous unique genes were also assigned to unique sourdough. All pathways functional for sourdough resilience and performance were reconstructed. Sourdoughs with the highest microbial richness bared the highest number of gene copies per pathway. Merging meta omics data, A synthetic microbial community (named Sourdough Global, SDG) was de novo reconstructed to be used under model system and in situ. The KEGG number of dominant players was not affected by single player depletion, while that of the others fluctuated, although providing unique contributions for functional pathways. SDG ensured broad transcriptome redundancy. Another synthetic microbial community (named SMC-SD43), comprising all bacterial and yeast species identified in a spontaneous sourdough, was reconstructed, and compared to SDG in situ. The KEGG numbers of SDG was at least four-times higher. After 30 days of sourdough daily propagation, SDG showed a steady state, while SMC-SD43 lost most of the members. However, only SDG maintained a constant volatile compounds profile confirming its resilience and stability. Another milestone in this thesis was to propose date seeds flour as an innovative ingredient for sourdough bread production through a sustainable bio-recycling. Sourdough biotechnology was confirmed as suitable procedure to improve some nutritional (radical scavenging activity) and sensory (bitterness and astringency) properties of sourdough based on a mixture of wheat and date seeds flours.
Il lievito madre, uno dei più antichi esempi di starter naturali, è una metacomunità complessa e dinamica di interagenti attori microbici (dominanti, sub-dominanti e satelliti), la cui struttura e funzione sono influenzate da continui inoculi e stimoli ambientali e da cambiamenti spaziotemporali. Il segreto principale della performance del lievito naturale risiede nella sua diversità e complessità microbica. Questa tesi ha l’obiettivo di spiegare il network metabolico tra gli attori microbici per costruire lieviti naturali robusti e resistenti per superare le cause di disturbo più frequenti e garantire la stabilità per un 'uso a lungo termine. La biobanca utilizzata in questa tesi comprende microrganismi dominanti, sub-dominanti e satelliti di otto lieviti naturali spontanei. La metagenomica è stata utilizzata per spiegare il potenziale genetico del lievito naturale, mentre la metatrascrittomica ha definito gli attori metabolicamente attivi. I lieviti naturali spontanei condividano più di mille geni, ma numerosi geni unici sono stati anche assegnati a un unico lievito naturale. Sono stati ricostruiti tutti i percorsi funzionali alla resilienza e alle prestazioni del lievito naturale. I lieviti naturali con la più alta ricchezza microbica hanno mostrato il più alto numero di copie di geni per percorso metabolico. Unendo i dati di meta-omica, è stata ricostruita de novo una comunità microbica sintetica (chiamata Sourdough Global, SDG) da usare come sistema modello e in situ. Il numero KEGG dei microrganismi dominanti non è stato influenzato dalla deplezione di un singolo giocatore, mentre quello degli altri é fluttuato, pur fornendo contributi unici per i percorsi funzionali. SDG ha garantito un'ampia ridondanza del trascrittoma. Un'altra comunità microbica sintetica (chiamata SMC-SD43), comprendente tutte le specie batteriche e di lieviti identificate in un lievito naturale spontaneo, è stata ricostruita e confrontata con SDG in situ. Il numero KEGG della SDG era almeno quattro volte superiore. Dopo 30 giorni di propagazione quotidiana del lievito naturalee, SDG ha mostrato uno stato costante, mentre SMC-SD43 ha perso la maggior parte dei membri. Tuttavia, solo SDG ha mantenuto un profilo di composti volatili costante, confermando la sua resilienza e stabilità. Un'altra attivitá di questa tesi di dottorato è stata quella di proporre la farina di semi di dattero come ingrediente innovativo per la produzione di pane con lievito naturale attraverso un bio-riciclo sostenibile. La biotecnologia del lievito naturale è stata confermata come procedura adatta per migliorare alcune proprietà nutrizionali (es. attività antiossidante) e sensoriali (amarezza e astringenza) del lievito naturale basata su una miscela di farine di grano e di semi di dattero.
Sauerteig, eines der ältesten Beispiele für natürliche Starterkulturen, ist eine komplexe und dynamische Metagemeinschaft von interagierenden mikrobiellen Akteuren (Dominanten, Subdominanten und Satelliten), deren Struktur und Funktion durch kontinuierliche Umweltinokulation und Stimuli sowie durch räumliche und zeitliche Veränderungen beeinflusst werden. Das Hauptgeheimnis für die Leistungsfähigkeit von Sauerteig liegt in seiner mikrobiellen Vielfalt und Komplexität. Ziel dieser Arbeit ist es, die metabolische Vernetzung zwischen den Akteuren zu erklären, um sehr robuste Sauerteige aufzubauen, die die häufigsten Störungsursachen überwinden und die Stabilität für eine langfristige Nutzung gewährleisten können. Die in dieser Arbeit verwendete Biobank umfasste dominante, subdominante und Satellitenakteure aus acht Spontansauerteigen. Die Metagenomik wurde zur Erklärung des genetischen Potenzials der Sauerteige eingesetzt, während die Metatranskriptomik die metabolisch aktiven Akteure definierte. Spontane Sauerteige teilten mehr als tausend Gene, aber zahlreiche einzigartige Gene wurden auch einem einzelnen Sauerteig zugeordnet. Alle Stoffwechselwege, die für die Widerstandsfähigkeit und Leistungsfähigkeit von Sauerteigen verantwortlich sind, wurden rekonstruiert. Sauerteige mit dem größten mikrobiellen Reichtum wiesen die höchste Anzahl von Genkopien pro Pfad auf. Durch die Zusammenführung von Meta-Romik-Daten wurde eine synthetische mikrobielle Gemeinschaft (Sourdough Global, SDG) de novo rekonstruiert, die als Modellsystem und in situ verwendet werden kann. Die KEGG-Anzahl der dominanten Akteure wurde durch die Deletion eines einzelnen Akteurs nicht beeinträchtigt, während die der anderen Akteure schwankte, obwohl sie einzigartige Beiträge für funktionelle Pfade lieferten. SDG sorgte für eine breite Transkriptomredundanz. Eine weitere synthetische mikrobielle Gemeinschaft (SMC-SD43), die alle in einem spontanen Sauerteig identifizierten Bakterien- und Hefearten umfasst, wurde rekonstruiert und mit SDG in situ verglichen. Die KEGG-Zahlen von SDG waren mindestens viermal so hoch. Nach 30 Tagen täglicher Sauerteigvermehrung zeigte die SDG einen stabilen Zustand, während SMC-SD43 die meisten Mitglieder verlor. Allerdings behielt nur SDG ein konstantes Profil flüchtiger Verbindungen bei, was seine Widerstandsfähigkeit und Stabilität bestätigt. Ein weiterer Meilenstein dieser Arbeit war der Vorschlag, Dattelsamenmehl als innovative Zutat für die Herstellung von Sauerteigbrot durch ein nachhaltiges Bio-Recycling zu verwenden. Die Sauerteigbiotechnologie erwies sich als geeignetes Verfahren zur Verbesserung einiger ernährungsphysiologischer (Radikalfängeraktivität) und sensorischer (Bitterkeit und Adstringenz) Eigenschaften von Sauerteig auf der Grundlage einer Mischung aus Weizen- und Dattelsamenmehl.