Bakterielles Wachstum und Wachstumskinetik

Bakterielles Wachstum bezieht sich auf die Zunahme der Zellzahl in einer Population, üblicherweise durch binäre Spaltung, und Wachstumskinetik ist die quantitative Beschreibung, wie schnell diese Zunahme erfolgt und was sie begrenzt. In einer geschlossenen (Batch-)Kultur folgt das Wachstum einer charakteristischen Kurve mit einer Lag-, exponentiellen, stationären und Absterbephase, wobei die exponentielle Phase durch eine konstante Wachstumsrate und eine Verdopplungs- (Generations-)Zeit beschrieben wird.

Definition

Bakterielles Wachstum ist die geordnete Zunahme der Anzahl bakterieller Zellen in einer Population über die Zeit, typischerweise durch binäre Spaltung; die Wachstumskinetik beschreibt diese Zunahme quantitativ, einschließlich Wachstumsrate, Verdopplungszeit und der Abhängigkeit des Wachstums von der Substratkonzentration.

Scope

Dieses Thema behandelt, wie bakterielle Populationen wachsen, die Phasen der Batch-Wachstumskurve, die Mathematik des exponentiellen Wachstums und der Generationszeit sowie die Abhängigkeit der Wachstumsrate von der Nährstoffversorgung. Es befasst sich mit dem Wachstum auf Populationsebene als Referenzthema in der Mikrobiologie, nicht als klinischer Ratschlag zur Infektion.

Core questions

• Was sind die Phasen der bakteriellen Wachstumskurve in einer Batch-Kultur?
• Wie werden die exponentielle Wachstumsrate und die Verdopplungszeit definiert und gemessen?
• Wie hängt die Wachstumsrate von der Konzentration eines limitierenden Nährstoffs ab?
• Was verursacht den Übergang vom exponentiellen Wachstum zur stationären Phase?

Key concepts

• Binäre Spaltung
• Lag-, exponentielle (log-), stationäre und Absterbephase
• Spezifische Wachstumsrate und Verdopplungs- (Generations-)Zeit
• Limitierender Nährstoff und Substratsättigung
• Batch- versus kontinuierliche Kultur (der Chemostat)
• Stringente Antwort und Wachstumsraten-Kontrolle

Key theories

Monod-Wachstumskinetik

Monod beschrieb, wie die spezifische Wachstumsrate einer Bakterienkultur mit der Konzentration eines limitierenden Substrats zunimmt und bei Sättigung ein Maximum erreicht, wodurch ein quantitatives Gesetz geschaffen wurde, das die Nährstoffverfügbarkeit mit der Wachstumsrate verknüpft.

Mechanisms

Die meisten Bakterien wachsen durch binäre Spaltung, sodass eine uneingeschränkte Population exponentiell zunimmt und sich in einem konstanten Intervall verdoppelt; die spezifische Wachstumsrate bestimmt dieses Intervall. In einer Batch-Kultur passt sich die Population zunächst an (Lag-Phase), wächst dann exponentiell, stagniert dann in der stationären Phase, wenn Nährstoffe erschöpft sind oder Abfallprodukte akkumulieren, und nimmt schließlich ab. Monods Kinetik setzt die spezifische Wachstumsrate in Beziehung zur Konzentration eines limitierenden Nährstoffs, sodass das Wachstum langsamer wird, wenn das Substrat knapp wird (Monod, 1949). Wenn Nährstoffe knapp werden, programmiert die Stringente Antwort, vermittelt durch das Signalmolekül (p)ppGpp, die Zelle um, um die Ribosomensynthese und das Wachstum zu verlangsamen (Potrykus & Cashel, 2008).

Clinical relevance

Wie schnell Bakterien wachsen, beeinflusst, wie schnell sich eine Infektion etablieren kann und wie sich Laborkulturen verhalten, und langsam wachsende oder nicht wachsende Subpopulationen sind relevant dafür, warum einige Infektionen schwer zu beseitigen sind. Dieses Thema erklärt die Wachstumsdynamik zum Verständnis; es liefert keine Diagnose- oder Behandlungsempfehlungen.

History

Die quantitative Untersuchung des Bakterienwachstums wurde durch Jacques Monod auf eine solide Grundlage gestellt, dessen Dissertation von 1942 und Übersichtsartikel von 1949 die Wachstumskurve und die Abhängigkeit der Wachstumsrate von der Nährstoffkonzentration formalisierten (Monod, 1942; Monod, 1949). Sein Rahmenwerk, zusammen mit dem späteren Chemostaten für kontinuierliche Kulturen, machte das Wachstum zu einer messbaren und kontrollierbaren Variable. Die Entdeckung der stringenten Antwort und von (p)ppGpp fügte eine molekulare Erklärung hinzu, wie Zellen das Wachstum an die Nährstoffversorgung anpassen (Potrykus & Cashel, 2008).

Key figures

• Jacques Monod
• Michael Cashel

Seminal works

• monod-1949
• monod-1942

Frequently asked questions

Was sind die vier Phasen der bakteriellen Wachstumskurve?

In einer Batch-Kultur durchlaufen Bakterien eine Lag-Phase der Anpassung, eine exponentielle (log-)Phase der Verdopplung mit konstanter Rate, eine stationäre Phase, in der Wachstum und Absterben im Gleichgewicht sind, wenn die Ressourcen zur Neige gehen, und eine Absterbe- (Rückgangs-)Phase.

Was ist die Generationszeit?

Die Generationszeit oder Verdopplungszeit ist das Intervall, das eine Bakterienpopulation benötigt, um sich während des exponentiellen Wachstums zu verdoppeln; sie variiert stark zwischen den Arten und mit den Wachstumsbedingungen.