การเจริญเติบโตของแบคทีเรียและจลนพลศาสตร์การเจริญเติบโต

การเจริญเติบโตของแบคทีเรียหมายถึงการเพิ่มขึ้นของจำนวนเซลล์ในประชากร ซึ่งโดยทั่วไปเกิดจากการแบ่งตัวแบบไบนารี และจลนพลศาสตร์การเจริญเติบโตคือการอธิบายเชิงปริมาณว่าการเพิ่มขึ้นนั้นเกิดขึ้นเร็วเพียงใดและอะไรเป็นตัวจำกัด ในการเพาะเลี้ยงแบบปิด (batch culture) การเจริญเติบโตจะเป็นไปตามเส้นโค้งลักษณะเฉพาะที่มีระยะพักตัว (lag phase) ระยะเพิ่มจำนวนแบบทวีคูณ (exponential phase) ระยะคงที่ (stationary phase) และระยะตาย (death phase) ในขณะที่ระยะเพิ่มจำนวนแบบทวีคูณจะอธิบายโดยอัตราการเจริญเติบโตคงที่และเวลาที่ใช้ในการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่า (generation time)

Definition

การเจริญเติบโตของแบคทีเรียคือการเพิ่มขึ้นอย่างเป็นระเบียบของจำนวนเซลล์แบคทีเรียในประชากรเมื่อเวลาผ่านไป โดยทั่วไปผ่านการแบ่งตัวแบบไบนารี; จลนพลศาสตร์การเจริญเติบโตอธิบายการเพิ่มขึ้นนั้นในเชิงปริมาณ รวมถึงอัตราการเจริญเติบโต เวลาที่ใช้ในการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่า และการพึ่งพาการเจริญเติบโตต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการเจริญเติบโตของประชากรแบคทีเรีย ระยะต่างๆ ของเส้นโค้งการเจริญเติบโตแบบแบตช์ คณิตศาสตร์ของการเจริญเติบโตแบบทวีคูณและเวลาการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่า และอัตราการเจริญเติบโตขึ้นอยู่กับการจัดหาสารอาหารอย่างไร โดยกล่าวถึงการเจริญเติบโตในระดับประชากรในฐานะหัวข้ออ้างอิงในจุลชีววิทยา ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิกเกี่ยวกับการติดเชื้อ

Core questions

• ระยะต่างๆ ของเส้นโค้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียในการเพาะเลี้ยงแบบแบตช์มีอะไรบ้าง?
• อัตราการเจริญเติบโตแบบทวีคูณและเวลาที่ใช้ในการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่าถูกกำหนดและวัดได้อย่างไร?
• อัตราการเจริญเติบโตขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารอาหารที่จำกัดอย่างไร?
• อะไรเป็นสาเหตุของการเปลี่ยนผ่านจากการเจริญเติบโตแบบทวีคูณไปสู่ระยะคงที่?

Key concepts

• การแบ่งตัวแบบไบนารี
• ระยะพักตัว ระยะเพิ่มจำนวนแบบทวีคูณ (log) ระยะคงที่ และระยะตาย
• อัตราการเจริญเติบโตจำเพาะและเวลาที่ใช้ในการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่า (generation time)
• สารอาหารที่จำกัดและภาวะอิ่มตัวของสารตั้งต้น
• การเพาะเลี้ยงแบบแบตช์เทียบกับการเพาะเลี้ยงแบบต่อเนื่อง (chemostat)
• การตอบสนองแบบเข้มงวดและการควบคุมอัตราการเจริญเติบโต

Key theories

จลนพลศาสตร์การเจริญเติบโตของ Monod

Monod อธิบายว่าอัตราการเจริญเติบโตจำเพาะของการเพาะเลี้ยงแบคทีเรียเพิ่มขึ้นอย่างไรตามความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่จำกัด โดยเข้าใกล้ค่าสูงสุดที่ภาวะอิ่มตัว ซึ่งเป็นกฎเชิงปริมาณที่เชื่อมโยงความพร้อมของสารอาหารกับอัตราการเจริญเติบโต

Mechanisms

แบคทีเรียส่วนใหญ่เจริญเติบโตโดยการแบ่งตัวแบบไบนารี ดังนั้นประชากรที่ไม่ถูกจำกัดจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ โดยเพิ่มเป็นสองเท่าในช่วงเวลาคงที่; อัตราการเจริญเติบโตจำเพาะเป็นตัวกำหนดช่วงเวลานั้น ในการเพาะเลี้ยงแบบแบตช์ ประชากรจะปรับตัวก่อน (ระยะพักตัว) จากนั้นจะเจริญเติบโตแบบทวีคูณ จากนั้นจะคงที่ในระยะคงที่เมื่อสารอาหารหมดลงหรือของเสียสะสม และสุดท้ายก็ลดลง จลนพลศาสตร์ของ Monod เชื่อมโยงอัตราการเจริญเติบโตจำเพาะกับความเข้มข้นของสารอาหารที่จำกัด ดังนั้นการเจริญเติบโตจะช้าลงเมื่อสารตั้งต้นหายากขึ้น (Monod, 1949) เมื่อสารอาหารขาดแคลน การตอบสนองแบบเข้มงวด (stringent response) ซึ่งมีตัวกลางคือโมเลกุลส่งสัญญาณ (p)ppGpp จะตั้งโปรแกรมเซลล์ใหม่ให้ชะลอการสังเคราะห์ไรโบโซมและการเจริญเติบโต (Potrykus & Cashel, 2008)

Clinical relevance

ความเร็วในการเจริญเติบโตของแบคทีเรียมีอิทธิพลต่อความเร็วที่การติดเชื้อสามารถก่อตัวขึ้นได้และพฤติกรรมของการเพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการ และประชากรย่อยที่เติบโตช้าหรือไม่เติบโตมีความเกี่ยวข้องกับสาเหตุที่การติดเชื้อบางชนิดรักษายาก หัวข้อนี้อธิบายพลวัตการเจริญเติบโตเพื่อความเข้าใจ; ไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

การศึกษาเชิงปริมาณของการเจริญเติบโตของแบคทีเรียได้รับการวางรากฐานอย่างมั่นคงโดย Jacques Monod ซึ่งวิทยานิพนธ์ในปี 1942 และบทวิจารณ์ในปี 1949 ได้กำหนดเส้นโค้งการเจริญเติบโตและการพึ่งพาอัตราการเจริญเติบโตต่อความเข้มข้นของสารอาหาร (Monod, 1942; Monod, 1949) กรอบแนวคิดของเขา ร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบต่อเนื่อง (chemostat) ในภายหลัง ทำให้การเจริญเติบโตเป็นตัวแปรที่สามารถวัดและควบคุมได้ การค้นพบการตอบสนองแบบเข้มงวดและ (p)ppGpp ได้เพิ่มคำอธิบายระดับโมเลกุลว่าเซลล์ปรับการเจริญเติบโตให้เข้ากับการจัดหาสารอาหารได้อย่างไร (Potrykus & Cashel, 2008)

Key figures

• Jacques Monod
• Michael Cashel

Seminal works

• monod-1949
• monod-1942

Frequently asked questions

ระยะทั้งสี่ของเส้นโค้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียมีอะไรบ้าง?

ในการเพาะเลี้ยงแบบแบตช์ แบคทีเรียจะผ่านระยะพักตัวของการปรับตัว ระยะเพิ่มจำนวนแบบทวีคูณ (log) ที่มีการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่าในอัตราคงที่ ระยะคงที่ที่การเจริญเติบโตและการตายสมดุลกันเมื่อทรัพยากรหมดลง และระยะตาย (decline) ที่จำนวนลดลง

เวลาการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่า (generation time) คืออะไร?

เวลาการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่า (generation time) คือช่วงเวลาที่ประชากรแบคทีเรียต้องการเพื่อเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่าในระหว่างการเจริญเติบโตแบบทวีคูณ ซึ่งแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละสปีชีส์และขึ้นอยู่กับสภาวะการเจริญเติบโต