Рост бактерий и кинетика роста

Рост бактерий относится к увеличению числа клеток в популяции, обычно путем бинарного деления, а кинетика роста — это количественное описание того, как быстро происходит это увеличение и что его ограничивает. В закрытой (периодической) культуре рост следует характерной кривой с фазами задержки, экспоненциальной, стационарной и фазой отмирания, при этом экспоненциальная фаза описывается постоянной скоростью роста и временем удвоения (генерации).

Definition

Рост бактерий — это упорядоченное увеличение числа бактериальных клеток в популяции с течением времени, обычно посредством бинарного деления; кинетика роста описывает это увеличение количественно, включая скорость роста, время удвоения и зависимость роста от концентрации субстрата.

Scope

Эта тема охватывает рост бактериальных популяций, фазы кривой роста в периодической культуре, математику экспоненциального роста и времени генерации, а также зависимость скорости роста от поступления питательных веществ. Она рассматривает рост на уровне популяций как справочный предмет в микробиологии, а не как клинический совет по инфекциям.

Core questions

• Каковы фазы кривой роста бактерий в периодической культуре?
• Как определяются и измеряются экспоненциальная скорость роста и время удвоения?
• Как скорость роста зависит от концентрации лимитирующего питательного вещества?
• Что вызывает переход от экспоненциального роста к стационарной фазе?

Key concepts

• Бинарное деление
• Фазы задержки, экспоненциальная (логарифмическая), стационарная и фаза отмирания
• Удельная скорость роста и время удвоения (генерации)
• Лимитирующий питательный элемент и насыщение субстратом
• Периодическая культура против непрерывной культуры (хемостат)
• Стрессовый ответ и контроль скорости роста

Key theories

Кинетика роста Монода

Монод описал, как удельная скорость роста бактериальной культуры увеличивается с концентрацией лимитирующего субстрата, приближаясь к максимуму при насыщении, предоставив количественный закон, связывающий доступность питательных веществ со скоростью роста.

Mechanisms

Большинство бактерий размножаются бинарным делением, поэтому неограниченная популяция увеличивается экспоненциально, удваиваясь через постоянный интервал; удельная скорость роста определяет этот интервал. В периодической культуре популяция сначала адаптируется (фаза задержки), затем экспоненциально растет, затем стабилизируется в стационарной фазе по мере истощения питательных веществ или накопления отходов, и, наконец, снижается. Кинетика Монода связывает удельную скорость роста с концентрацией лимитирующего питательного вещества, так что рост замедляется по мере истощения субстрата (Monod, 1949). При нехватке питательных веществ стрессовый ответ, опосредованный сигнальной молекулой (p)ppGpp, перепрограммирует клетку на замедление синтеза рибосом и роста (Potrykus & Cashel, 2008).

Clinical relevance

Скорость роста бактерий влияет на то, как быстро может развиться инфекция и как ведут себя лабораторные культуры, а медленнорастущие или нерастущие субпопуляции имеют отношение к тому, почему некоторые инфекции трудно поддаются лечению. Эта тема объясняет динамику роста для понимания; она не предоставляет диагностических или лечебных рекомендаций.

History

Количественное изучение роста бактерий было прочно обосновано Жаком Моно, чья диссертация 1942 года и обзор 1949 года формализовали кривую роста и зависимость скорости роста от концентрации питательных веществ (Monod, 1942; Monod, 1949). Его концепция, наряду с более поздним хемостатом для непрерывной культуры, сделала рост измеряемой и контролируемой переменной. Открытие стрессового ответа и (p)ppGpp добавило молекулярное объяснение того, как клетки регулируют рост в зависимости от поступления питательных веществ (Potrykus & Cashel, 2008).

Key figures

• Jacques Monod
• Michael Cashel

Seminal works

• monod-1949
• monod-1942

Frequently asked questions

Каковы четыре фазы кривой роста бактерий?

В периодической культуре бактерии проходят фазу задержки (адаптации), экспоненциальную (логарифмическую) фазу постоянного удвоения, стационарную фазу, где рост и отмирание уравновешиваются по мере истощения ресурсов, и фазу отмирания (снижения).

Что такое время генерации?

Время генерации, или время удвоения, — это интервал, необходимый для удвоения числа бактериальной популяции во время экспоненциального роста; оно значительно варьируется между видами и в зависимости от условий роста.