สรีรวิทยาและการเผาผลาญของแบคทีเรีย

สรีรวิทยาและการเผาผลาญของแบคทีเรียคือการศึกษาว่าเซลล์แบคทีเรียได้รับพลังงานและสารอาหารอย่างไร เจริญเติบโตและแบ่งตัวอย่างไร และปรับเคมีภายในของพวกมันอย่างไรเพื่อความอยู่รอดในสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป เป็นแกนหลักเชิงหน้าที่ของวิทยาแบคทีเรีย โดยเชื่อมโยงโครงสร้างของเซลล์แบคทีเรียเข้ากับปฏิกิริยาเคมีที่หล่อเลี้ยงมัน และพฤติกรรมต่างๆ เช่น การสร้างไบโอฟิล์ม ที่เกิดขึ้นเมื่อประชากรของเซลล์ตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมของพวกมัน

Definition

ปรากฏการณ์ทางสรีรวิทยาของแบคทีเรียประกอบด้วยกระบวนการและหน้าที่ที่เซลล์แบคทีเรียสร้างพลังงาน สังเคราะห์สารตั้งต้นของเซลล์ ควบคุมสภาวะภายใน เจริญเติบโต และตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมของพวกมัน

Scope

สาขาความรู้นี้จะนำผู้อ่านไปสู่ประเด็นหลักเชิงหน้าที่ของชีวิตแบคทีเรีย ได้แก่ การเจริญเติบโตและจลนพลศาสตร์ของการเจริญเติบโต การเผาผลาญพลังงานแบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน การดูดซึมสารอาหารและการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ การตอบสนองต่อความเครียดจากสิ่งแวดล้อม และพฤติกรรมทางสังคมของการสร้างไบโอฟิล์ม โดยจะถือว่าสิ่งเหล่านี้เป็นหัวข้ออ้างอิงในจุลชีววิทยาและกำหนดกรอบความสำคัญทางคลินิกในเชิงพรรณนามากกว่าที่จะเป็นแนวทางในการวินิจฉัยหรือการรักษา

Sub-topics

• การก่อตัวของไบโอฟิล์มของแบคทีเรีย
• การเจริญเติบโตของแบคทีเรียและจลนพลศาสตร์การเจริญเติบโต
• เมแทบอลิซึมของแบคทีเรีย—แบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน
• การนำเข้าและขนส่งสารอาหารของแบคทีเรีย
• การตอบสนองของแบคทีเรียต่อความเครียดจากสิ่งแวดล้อม

Core questions

• แบคทีเรียสกัดพลังงานจากสิ่งแวดล้อมภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนและไม่มีออกซิเจนได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวควบคุมอัตราและขีดจำกัดของการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย?
• เซลล์เคลื่อนย้ายสารอาหารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรียได้อย่างไร?
• แบคทีเรียรับรู้และเอาชีวิตรอดจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร?
• แบคทีเรียจัดระเบียบเป็นชุมชนไบโอฟิล์มได้อย่างไรและทำไม?

Key concepts

• กราฟการเจริญเติบโตของแบคทีเรียและจลนพลศาสตร์ของการเจริญเติบโต
• เคมีออสโมซิสและแรงขับเคลื่อนโปรตอน
• การหายใจแบบใช้ออกซิเจน การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน และการหมัก
• การขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และระบบฟอสโฟทรานสเฟอเรส
• การยับยั้งแคแทบอไลต์และการควบคุมเมแทบอลิซึม
• การตอบสนองต่อความเครียดและรีกลอนความเครียดทั่วไป
• การรับรู้จำนวนประชากรและการสร้างไบโอฟิล์ม

Mechanisms

เซลล์แบคทีเรียเชื่อมโยงกระบวนการแคแทบอลิซึม ซึ่งปลดปล่อยพลังงานจากสารอาหาร เข้ากับกระบวนการแอแนบอลิซึม ซึ่งสร้างสารตั้งต้นของเซลล์ โดยใช้ ATP และแรงขับเคลื่อนโปรตอนเป็นสกุลเงินพลังงาน ภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจน ออกซิเจนทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย ภายใต้สภาวะที่ไม่มีออกซิเจน เซลล์จะใช้ตัวรับทางเลือกหรืออาศัยการหมัก (Madigan et al., 2018) สารอาหารจะถูกนำผ่านเยื่อหุ้มเซลล์โดยระบบขนส่ง และความพร้อมของพลังงานและอัตราการเจริญเติบโตจะถูกประสานงานผ่านเครือข่ายการควบคุม เมื่อสภาพแวดล้อมเสื่อมโทรม การตอบสนองต่อความเครียดโดยเฉพาะจะตั้งโปรแกรมเซลล์ใหม่ และการส่งสัญญาณระหว่างเซลล์ เช่น การรับรู้จำนวนประชากร (quorum sensing) สามารถขับเคลื่อนประชากรเข้าสู่สภาวะร่วมมือกันที่ยึดติดกับพื้นผิวของไบโอฟิล์ม (Miller & Bassler, 2001)

Clinical relevance

สรีรวิทยาของแบคทีเรียเป็นพื้นฐานสำคัญที่ทำให้การติดเชื้อมีพฤติกรรมตามที่เป็นอยู่: อัตราการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตมีอิทธิพลต่อความเร็วในการเกิดโรค การเผาผลาญแบบไม่ใช้ออกซิเจนกำหนดว่าสิ่งมีชีวิตชนิดใดเจริญเติบโตได้ดีในบริเวณที่ติดเชื้อ การขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ควบคุมว่าโมเลกุลเข้าสู่เซลล์ได้อย่างไร และการสร้างไบโอฟิล์มมีความเกี่ยวข้องกับการติดเชื้อเรื้อรังและการติดเชื้อที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ สาขาความรู้นี้อธิบายหลักการทำงานเหล่านี้เพื่อความเข้าใจ ไม่ใช่แหล่งของคำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

การศึกษาเชิงปริมาณของสรีรวิทยาของแบคทีเรียเริ่มเป็นรูปเป็นร่างขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เมื่อผลงานของ Jacques Monod เกี่ยวกับการเจริญเติบโตของแบคทีเรียในห้องปฏิบัติการได้วางรากฐานทางคณิตศาสตร์ว่าอัตราการเจริญเติบโตขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารอาหารอย่างไร (Monod, 1949) ทศวรรษต่อมาได้เพิ่มความเข้าใจระดับโมเลกุลของเยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรียและการซึมผ่านของมัน (Nikaido & Vaara, 1985) และตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา การรับรู้ถึงการส่งสัญญาณระหว่างเซลล์และไบโอฟิล์มได้ขยายขอบเขตของสาขาวิชาจากเซลล์เดี่ยวไปสู่ชุมชนแบคทีเรีย (Miller & Bassler, 2001)

Key figures

• Jacques Monod
• Hiroshi Nikaido
• Bonnie Bassler

Seminal works

• monod-1949
• nikaido-1985
• miller-bassler-2001

Frequently asked questions

สรีรวิทยาของแบคทีเรียศึกษาอะไร?

ศึกษาว่าเซลล์แบคทีเรียได้รับพลังงานและสารอาหารอย่างไร เจริญเติบโตและแบ่งตัวอย่างไร ควบคุมเคมีภายในของพวกมันอย่างไร และตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมของพวกมันอย่างไร โดยเชื่อมโยงโครงสร้างของเซลล์เข้ากับหน้าที่

การเผาผลาญของแบคทีเรียมีความสำคัญอย่างไรในทางการแพทย์?

ลักษณะทางเมแทบอลิซึมและสรีรวิทยากำหนดว่าแบคทีเรียจะเจริญเติบโตที่ไหนและเร็วแค่ไหน สภาวะใดที่พวกมันทนได้ และพฤติกรรมต่างๆ เช่น การสร้างไบโอฟิล์มที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อเรื้อรัง ดังนั้นจึงช่วยอธิบายว่าการติดเชื้อมีพฤติกรรมอย่างไร