9: Мікробний ріст

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6639

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

За умови правильних умов (харчування, правильна температура і т.д.) мікроби можуть дуже швидко рости. Залежно від ситуації, це може бути корисною справою для людини (дріжджі, що ростуть у суслі, щоб зробити пиво) або поганою річчю (бактерії, що ростуть у горлі, що викликають стрептокоту в горлі). Важливо мати знання про їх зростання, щоб ми могли прогнозувати або контролювати їх зростання за певних умов. Хоча зростання для багатоклітинних організмів, як правило, вимірюється з точки зору збільшення розміру одного організму, зростання мікробів вимірюється збільшенням популяції, або вимірюванням збільшення кількості клітин, або збільшенням загальної маси.

Бактеріальний поділ

Бактерії та архей розмножуються лише безстатевим шляхом, тоді як еукаріотические мікроби можуть займатися як статевим, так і безстатевим розмноженням. Бактерії та археї найчастіше беруть участь у процесі, відомому як бінарний поділ, де одна клітина розпадається на дві однакові за розміром клітини. Інші, менш поширені процеси можуть включати багаторазове поділ, бутонізацію та виробництво спор.

Процес починається з подовження клітин, що вимагає ретельного збільшення клітинної мембрани і клітинної стінки, крім збільшення обсягу клітин. Клітина починає відтворювати свою ДНК, готуючись мати дві копії своєї хромосоми, по одній для кожної новоутвореної клітини. Білок FtSz необхідний для формування перегородки, яка спочатку проявляється кільцем посередині витягнутої клітини. Після того, як нуклеоїди відокремлені до кожного кінця витягнутої клітини, формування перегородки завершується, розділяючи витягнуту клітинку на дві дочірні клітини однакового розміру. Весь процес або клітинний цикл може зайняти всього 20 хвилин для активної культури бактерій кишкової палички.

Крива зростання

Оскільки бактерії легко вирощувати в лабораторії, їх ріст вивчався широко. Визначено, що в закритій системі або пакетній культурі (без додавання їжі, не видалені відходи) бактерії будуть рости в передбачуваній схемі, що призводить до кривої росту, що складається з чотирьох різних фаз росту: фази відставання, експоненціальної або фази журналу, стаціонарна фаза, а також фаза смерті або спаду. Крім того, ця крива зростання може дати час генерації для конкретного організму - кількість часу, необхідного для населення, щоб подвоїтися.

Крива росту бактерій. Автор: Міхал Коморничак. Якщо ви використовуєте на своєму веб-сайті або в публікації мої зображення (оригінальні або змінені), вас просять надати мені деталі: Міхал Коморнічак (Польща) або Міхал Коморнічак (Польща). Для отримання додаткової інформації пишіть на мою електронну адресу: m.komorniczak.pl@gmail.com [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons

Деталі, пов'язані з кожною кривою росту (кількість клітин, довжина кожної фази, швидкість росту або смерті, загальна кількість часу), будуть змінюватися від організму до організму або навіть з різними умовами для одного і того ж організму. Але закономірність чотирьох різних фаз зростання, як правило, залишиться.

фаза відставання

Лаг-фаза - це період адаптації, коли бактерії пристосовуються до своїх нових умов. Тривалість лаг-фази може значно варіюватися, виходячи з того, наскільки умови відрізняються від умов, з яких прийшли бактерії, а також стану самих бактеріальних клітин. Активно зростаючі клітини, перенесені з одного виду середовищ в однотипні середовища, при однакових умовах навколишнього середовища матимуть найкоротший період відставання. Пошкоджені клітини матимуть тривалий період відставання, оскільки вони повинні відновитися, перш ніж вони зможуть займатися розмноженням.

Зазвичай клітини в період відставання синтезують РНК, ферменти та необхідні метаболіти, які можуть бути відсутніми в їх новому середовищі (наприклад, фактори росту або макромолекули), а також пристосовуються до змін навколишнього середовища, таких як зміни температури, рН або доступності кисню. Вони також можуть займатися будь-яким необхідним ремонтом травмованих клітин.

Експоненціальна або фаза журналу

Як тільки клітини накопичили все, що їм потрібно для росту, вони приступають до поділу клітин. Експоненціальна або колод-фаза зростання відзначається передбачуваними подвоєннями популяції, де 1 клітина стає 2 клітинами, стає 4, стає 8 і т.д. умови, які є оптимальними для клітин, призведуть до дуже швидкого зростання (і більш крутого нахилу на кривій зростання), при цьому менше ідеальних умов призведе до уповільнення зростання. Клітини в експоненціальній фазі росту є найздоровішими і найбільш рівномірними, що пояснює, чому більшість експериментів використовують клітини з цієї фази.

Швидкість росту бактерій.

Через передбачуваність зростання на цій фазі ця фаза може бути використана для математичного обчислення часу, необхідного для того, щоб популяція бактерій подвоїлася в кількості, відомому як час генерації (g). Ця інформація використовується мікробіологами в фундаментальних дослідженнях, а також в промисловості. Для того, щоб визначити час генерації, природний логарифм числа осередків може бути нанесений на основі часу (де одиниці можуть змінюватися, залежно від швидкості зростання для конкретної популяції), використовуючи семілогарифмічний графік для генерації лінії з передбачуваним нахилом.

Ухил лінії дорівнює 0,301/ г. В якості альтернативи можна спиратися на фіксовану залежність між початковою кількістю клітин на початку експоненціальної фази і кількістю клітин через деякий проміжок часу, що може бути виражено:

\[N = N_02^{n}\]

де\(N\) - кінцева концентрація клітин,\(N_0\) - початкова концентрація клітин, і\(n\) це кількість поколінь, що відбулися між зазначеним періодом часу.

Час генерації (g) може бути представлений t/n, при цьому t є зазначеним періодом часу в хвилинах, годині, днях або місяцях. Таким чином, якщо знати концентрацію клітин на початку експоненціальної фази росту і концентрацію клітин через деякий проміжок часу експоненціального зростання, можна розрахувати кількість поколінь. Потім, використовуючи кількість часу, щоб зростання було дозволено продовжити (t), можна обчислити g.

Стаціонарна фаза

Все хороше має закінчитися (інакше бактерії дорівнювали б масі Землі за 7 днів!). У якийсь момент популяція бактерій закінчується необхідною поживною речовиною/хімічною речовиною або її зростання гальмується власними відходами (це закритий контейнер, пам'ятайте?) або нестача фізичного простору, внаслідок чого клітини вступають у стаціонарну фазу. У цей момент кількість нових клітин, що виробляються, дорівнює кількості клітин, що відмирають або ріст повністю припинився, що призводить до сплющення росту на кривій росту.

Фізіологічно клітини стають зовсім іншими на цьому етапі, так як намагаються адаптуватися до своїх нових умов голодування. Нечисленні нові клітини, які виробляються, мають менший розмір, при цьому бацили набувають майже сферичну форму. Їх плазмова мембрана стає менш рідкою і проникною, з більшою кількістю гідрофобних молекул на поверхні, які сприяють адгезії та агрегації клітин. Нуклеоїд конденсується і ДНК зв'язується з ДНК-зв'язуючими білками з голодних клітин (ДПС), щоб захистити ДНК від пошкодження. Зміни покликані дозволити клітині виживати протягом більш тривалого періоду часу в несприятливих умовах, чекаючи більш оптимальних умов (наприклад, вливання поживних речовин). Ці ж стратегії використовуються клітинами в оліготрофних або низькопоживних середовищах. Було висунуто гіпотезу, що клітини в природному світі (тобто поза лабораторією) зазвичай існують протягом тривалого періоду часу в оліготрофних середовищах, лише спорадичні вливання поживних речовин, які повертають їх до експоненціального зростання протягом дуже коротких періодів часу.

Під час стаціонарної фази клітини також схильні до вироблення вторинних метаболітів або метаболітів, що виробляються після активного росту, таких як антибіотики. Клітини, які здатні зробити ендоспору, активують необхідні гени на цьому етапі, щоб ініціювати процес спорокуляції.

Фаза смерті або занепаду

В останній фазі кривої росту, фазі смерті або спаду, кількість життєздатних клітин зменшується передбачуваним (або експоненціальним) способом. Крутизна схилу відповідає тому, наскільки швидко клітини втрачають життєздатність. Вважається, що умови культури погіршилися до того моменту, коли клітинам завдано непоправної шкоди, оскільки клітини, зібрані з цієї фази, не демонструють зростання при перенесенні на свіже середовище. Важливо зазначити, що якщо помутніння культури вимірюється як спосіб визначення щільності клітин, вимірювання можуть не зменшуватися під час цієї фази, оскільки клітини все ще можуть бути неушкодженими.

Було висловлено припущення, що клітини, які вважаються мертвими, можуть бути відроджені за певних умов, стан, описаний як життєздатний, але некультурний (VBNC). Цей стан може мати важливе значення для патогенів, де вони вступають в стан дуже низького обміну речовин і відсутності клітинного поділу, тільки для відновлення росту в більш пізній час, коли умови покращуються.

Також було показано, що 100% загибель клітин малоймовірна для будь-якої клітинної популяції, оскільки клітини мутують, щоб адаптуватися до умов навколишнього середовища, як би вони не були суворими. Часто спостерігається хвостовий ефект, де невелика популяція клітин не може бути вбита. Крім того, ці клітини можуть отримати користь від загибелі своїх побратимів клітин, які забезпечують поживні речовини в навколишнє середовище, коли вони лізують і звільняють свій клітинний вміст.

Ключові слова

бінарний поділ, множинний поділ, бутонізація, спори, клітинний цикл, замкнута система, бактеріальна культура, крива росту, фаза відставання, експоненціальна або журнал фаза, час генерації (g), N, N0, n, t, стаціонарна фаза, ДНК-зв'язуючі білки з голодних клітин (ДПС), оліготрофні, вторинні метаболіти, фаза смерті або спаду, життєздатні, але некультурні (VBNC).

Основні питання/цілі

Як вимірюється зростання в мікробних популяціях?
Чим еукаріоти і бактерії/археї відрізняються за своїми репродуктивними методами?
Які етапи бінарного поділу? Що відбувається на кожному кроці?
Знайте, як виглядає крива росту організму, вирощеного в замкнутій системі. Знати різні стадії і те, що відбувається на кожному етапі, фізіологічно. Що може вплинути на фазу відставання? Які 2 різні пояснення втрати клітин у фазі смерті або старіння?
Зрозумійте час генерації та як його можна визначити на журналі кількість комірок проти часового графіка. Знайте перевагу побудови журналу кількість комірок проти часу замість кількості клітинок проти часу. Які фактори впливають на час генерації організму?
Проблема практики: Шість золотистих стафілококів прищеплюються в кремовий пиріг руками кухаря-кондитера. Час генерації S. aureus в кремовому пирозі при кімнатній температурі становить 30 хв. а) Скільки S. aureus знаходиться в пирозі через 4 години на RT? б) Через 24 години?

Дослідницькі питання (НЕОБОВ'ЯЗКОВО)

У якій ситуації поява VBNC принесе користь клітинам? Як це може становити загрозу здоров'ю населення?