Predicting microbiomes, viral interactions, and functional genes in the production of functional foods : an applicable model using natural vinegar fermentation

Abstract

Resumo: Os alimentos fermentados são consumidos há séculos em diversas culturas, oferecendo sabores únicos, maior vida útil e benefícios à saúde. Recentemente, o interesse por esses produtos cresceu devido ao seu potencial como alimentos funcionais, especialmente por promoverem a saúde intestinal e fornecerem compostos bioativos. Tais propriedades derivam de comunidades microbianas complexas, compostas por bactérias, leveduras e, mais recentemente, reconhecidamente, vírus. Com o advento das tecnologias de sequenciamento de nova geração (Next Generation Sequencing – NGS), tornou-se possível explorar a diversidade, a dinâmica e as funções desses microrganismos e seus genes, revelando novas espécies, vias metabólicas e interações vírus-hospedeiro relevantes para as características funcionais dos alimentos fermentados. Esta tese, estruturada em seis capítulos, integra revisões e estudos experimentais. Os dois primeiros capítulos abordam o papel das bactérias do ácido lático (BAL), tanto na fermentação de vinagre quanto na produção de enzimas funcionais. As BAL têm papel essencial nos estágios iniciais da fermentação, produzindo ácido lático e metabólitos bioativos. Identificaram-se lacunas na compreensão da viabilidade das BAL na produção de vinagre, e ressaltou-se o potencial do vinagre como fonte de produtos pós-bióticos. Além disso, as enzimas derivadas de lactobacilos foram destacadas por sua importância na digestão, na biodisponibilidade de nutrientes e em aplicações industriais, como a redução da intolerância à lactose. O terceiro capítulo apresenta um estudo metagenômico sobre a fermentação natural de vinagre de maçã. A análise revelou espécies microbianas-chave, como Acetobacter pasteurianus, Komagataeibacter europaeus, Lactiplantibacillus plantarum e Saccharomyces cerevisiae. Observou-se uma sucessão microbiana: BAL dominaram os estágios iniciais, seguidas pelas bactérias do ácido acético (BAA), responsáveis pela acidez e aroma do vinagre. Correlações entre grupos microbianos e compostos como ácido acético e acetato de etila demonstraram a importância do co metabolismo na qualidade sensorial do produto. Os capítulos quatro e cinco exploram o papel dos vírus, especialmente bacteriófagos, nos alimentos fermentados. Eles modulam comunidades bacterianas e afetam diretamente os processos fermentativos. Também foram discutidas as interações entre leveduras e vírus, como as leveduras killer, com destaque para o viroma como ferramenta para melhorar a segurança, a qualidade e a biotecnologia alimentar. No sexto capítulo, foi empregada metagenômica shotgun para avaliar a dinâmica microbiana e viral durante três meses de fermentação de vinagre de maçã. A análise revelou vias metabólicas relevantes e evidenciou a atuação de espécies como A. ghanensis, Leuc. pseudomesenteroides e S. cerevisiae, além do papel regulatório dos bacteriófagos sobre bactérias deteriorantes. Em conclusão, esta tese demonstra como abordagens metagenômicas permitem desvendar a complexidade microbiana e viral dos alimentos fermentados. Ao integrar microbiomas, viromas e genes funcionais, a pesquisa oferece novas perspectivas para o controle e aprimoramento da fermentação, qualidade dos produtos e desenvolvimento de alimentos funcionais inovadores

Abstract: Fermented foods have been consumed for centuries across diverse cultures, offering unique flavors, extended shelf life, and significant health benefits. In recent years, global interest in these products has increased due to their potential as functional foods, particularly for promoting gut health and delivering bioactive compounds. These properties stem from complex microbial communities composed of bacteria, yeasts, and, more recently acknowledged, viruses. With the advent of next-generation sequencing (NGS) technologies, it has become possible to explore the diversity, dynamics, and functions of these microorganisms and their associated genes, revealing novel species, metabolic pathways, and virus-host interactions that contribute to the functional characteristics of fermented foods. This thesis, structured in six chapters, integrates literature reviews and experimental studies. The first two chapters focus on the role of lactic acid bacteria (LAB) in vinegar fermentation and in the production of functional enzymes. LAB plays a crucial role in the early stages of fermentation, producing lactic acid and bioactive metabolites. Critical knowledge gaps were identified regarding LAB viability during vinegar production, and vinegar was highlighted as a potential source of postbiotic products. Additionally, enzymes derived from lactobacilli were discussed for their relevance in human digestion, nutrient bioavailability, and industrial applications such as reducing lactose intolerance and improving protein hydrolysis in food processing. The third chapter presents a metagenomic study of natural apple vinegar fermentation. The analysis revealed key microbial species such as Acetobacter pasteurianus, Komagataeibacter europaeus, Lactiplantibacillus plantarum, and Saccharomyces cerevisiae. Distinct patterns of microbial succession were observed: LAB dominated the initial stages, followed by acetic acid bacteria (AAB), which were primarily responsible for vinegar’s acidity and aroma. Correlations between microbial groups and compounds such as acetic acid and ethyl acetate underscored the importance of co-metabolism in shaping the product’s sensory quality. Chapters four and five explore the roles of viruses—especially bacteriophages—in fermented foods. These viruses modulate bacterial communities and directly influence fermentation processes. Interactions between yeasts and viruses, including the ecological roles of killer yeasts, are also discussed. These chapters emphasize the importance of virome studies for food safety and quality, advances in detection methods, and the potential of viral systems to enhance fermentation outcomes and optimize food biotechnology. The sixth chapter employs shotgun metagenomics to assess microbial and viral dynamics during a three-month apple vinegar fermentation process. The study revealed key metabolic pathways related to carbohydrate and amino acid metabolism, energy production, and glycan biosynthesis. Specific enzymatic activities from A. ghanensis, Leuc. pseudomesenteroides, and S. cerevisiae were found to significantly shape the vinegar’s sensory and biofunctional profile, while bacteriophages played a regulatory role by controlling spoilage bacteria. In conclusion, this thesis demonstrates how advanced sequencing technologies can unravel the complexity of microbial and viral communities in fermented foods. By linking microbiomes, viromes, and functional gene networks, the research highlights opportunities to improve fermentation processes, enhance product quality, and develop innovative functional foods