Metaboic network-based analysis of cheese starter cultures as a microbial community - Özcan, Emrah (My University, 2019)
ÖZETBİR MİKROBİYAL TOPLULUK OLARAK PEYNİR STARTER KÜLTÜRLERİNİN METABOLİK AĞ-BAZLI ANALİZİDoğada neredeyse hiç saf mikrobiyal kültür yoktur, aksine mikroorganizmalar diğer organizmalarla etkileşim halindedir ve farklı türler aynı habitatı paylaşır. Dolayısıyla, mikrobiyal topluluk çalışmaları, doğayı daha iyi anlayabilmemize yardımcı olur. Bu tez kapsamında bir mikrobiyal topluluk olan peynir starter kültürleri çalışılmıştır. Bu amaçla süt ürünleri kökenli ve peynir starter kültürlerinde sıklıkla kullanılan laktik asit bakterilerinden olan Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. lactis, Streptococcus thermophilus ve Leuconostoc mesenteroides, saf ve ko-kültür olarak büyütülmüşlerdir. L. lactis ve Leu. mesenteroides türlerinden oluşan ko-kültürler ile L. lactis ve S. thermophilus türlerinden oluşan ko-kültürler sırasıyla mezofilik ve termofilik starter ko-kültürleri temsil ettiği kabul edilmiştir. Saf ve ko-kültlerin metabolik kapasiteleri daha sonra dinamik metabolik ağ modelleme yaklaşımıyla kapsamlı olarak incelenmiştir. Dinamik modellerdeki substrat tüketim kinetiği, pH ve laktik asitin bir fonksiyonu olarak tanımlanmıştır. Kinetik parametreler, saf kültür deneyleri kullanılarak tahminlenmiş olup hem saf hem de ko-kültür modellerinde kullanılmıştır. Mezofilik ko-kültür modelleri, pH’ın mezofilik ko-kültür biyokütle dinamiğini etkileyen en önemli fermantasyon parametresi olduğunu gösterdi ve bu modeller, Leu. mesenteroides büyümesinin L. lactis tarafından nasıl baskılandığını açıkladı. Mezofilik ko-kültürlerin aksine, termofilik ko-kültürlerde en önemli fermantasyon parametresi sıcaklıktı. L. lactis ve S. thermophilus saf kültürlerinin fermantasyon sıcaklığı farklı olduğundan, termofilik ko-kültürler ortalama bir sıcaklıkta büyütüldü. Termofilik ko-kültürde her bir türe ait substrat tüketim hızları, sıcaklık farkını yansıtacak bir katsayı ile çarpıldı ve ancak bu katsayı çarpımından sonra termofilik ko-kültürler deneysel koşulları simüle edebildi. Ayrıca, ko-kültür modelleri ko-kültür içerisindeki türlere ait tüm ekstraselüler metabolit üretim/ tüketim hızlarını tahminledi. Deneysel olarak gerçekleştirilemeyen bu tahminler laktik asit bakterileri arasındaki potansiyel metabolik etkileşimleri de göstermiş oldu.

ABSTRACTMETABOLIC NETWORK-BASED ANALYSIS OF CHEESE STARTER CULTURES AS A MICROBIAL COMMUNITYThere is almost no pure culture in nature, but rather microorganisms are open to interact with other organisms, and different species share the same habitat. Therefore, microbial community studies enable nature to be understood better. Cheese starter cultures as a microbial community have been studied in this thesis. For this purpose, dairy-origin lactic acid bacteria (LAB), Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. lactis, Streptococcus thermophilus and Leuconostoc mesenteroides, which are commonly used LAB species in cheese starter cultures, were grown in pure and co-cultures. The co-cultures composed of L. lactis and Leu. mesenteroides species and the co-cultures composed L. lactis and S. thermophilus species were assumed to represent mesophilic and thermophilic starter cultures, respectively. The metabolic capacities of the pure and co-cultures were then comprehensively investigated by the dynamic metabolic network modelling approaches in a quantitative manner. Substrate uptake kinetics in the dynamic models were defined as a function of pH and lactic acid. The kinetic parameters were estimated using the pure culture experiments, and they were used both in the pure and co-culture models. The mesophilic co-culture models showed that pH was the major fermentation parameter that effects the co-culture biomass composition, and the models explained the mechanisms behind the suppression of the growth of Leu. mesenteroides by L. lactis strains in mesophilic starter cultures. Unlike the mesophilic co-cultures, temperature was the major fermentation parameter in thermophilic co-cultures. Since the fermentation temperature of the L. lactis and S. thermophilus pure cultures were different, the thermophilic co-cultures were grown at an average fermentation temperature. The thermophilic co-culture models could simulate the fermentations only after the individual substrate uptake rates, which are the model constraints, were multiplied by a strain-specific correction coefficient reflecting the temperature difference. Furthermore, the co-culture models estimated the individual production/ consumption profiles of the various extracellular metabolites, as well as the potential metabolic interactions between the LAB in the co-cultures, which could not be obtained experimentally.
Keywords: Bioengineering; Biyomühendislik; cheese starter culture; lactic acid bacteria; laktik asit bakterileri Metabolic model; Metabolik model; microbial community model; mikrobiyal topluluk modeli; peynir starter kültürü