Sự tăng trưởng và động học tăng trưởng của vi khuẩn

Sự tăng trưởng của vi khuẩn đề cập đến sự gia tăng số lượng tế bào trong một quần thể, thường là bằng cách phân đôi, và động học tăng trưởng là mô tả định lượng về tốc độ gia tăng đó và những yếu tố giới hạn nó. Trong một môi trường nuôi cấy kín (nuôi cấy theo mẻ), sự tăng trưởng tuân theo một đường cong đặc trưng với các pha tiềm phát, pha lũy thừa, pha ổn định và pha tử vong, trong khi pha lũy thừa được mô tả bằng tốc độ tăng trưởng không đổi và thời gian nhân đôi (thế hệ).

Definition

Sự tăng trưởng của vi khuẩn là sự gia tăng có trật tự về số lượng tế bào vi khuẩn trong một quần thể theo thời gian, điển hình là thông qua phân đôi; động học tăng trưởng mô tả sự gia tăng đó một cách định lượng, bao gồm tốc độ tăng trưởng, thời gian nhân đôi và sự phụ thuộc của tăng trưởng vào nồng độ cơ chất.

Scope

Chủ đề này bao gồm cách các quần thể vi khuẩn phát triển, các pha của đường cong tăng trưởng theo mẻ, toán học về tăng trưởng lũy thừa và thời gian thế hệ, và cách tốc độ tăng trưởng phụ thuộc vào nguồn cung cấp chất dinh dưỡng. Nó đề cập đến sự tăng trưởng ở cấp độ quần thể như một chủ đề tham khảo trong vi sinh học, không phải là lời khuyên lâm sàng về nhiễm trùng.

Core questions

• Các pha của đường cong tăng trưởng vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy theo mẻ là gì?
• Tốc độ tăng trưởng lũy thừa và thời gian nhân đôi được định nghĩa và đo lường như thế nào?
• Tốc độ tăng trưởng phụ thuộc vào nồng độ của một chất dinh dưỡng giới hạn như thế nào?
• Điều gì gây ra sự chuyển đổi từ tăng trưởng lũy thừa sang pha ổn định?

Key concepts

• Phân đôi
• Các pha tiềm phát, lũy thừa (log), ổn định và tử vong
• Tốc độ tăng trưởng đặc hiệu và thời gian nhân đôi (thế hệ)
• Chất dinh dưỡng giới hạn và bão hòa cơ chất
• Nuôi cấy theo mẻ so với nuôi cấy liên tục (chemostat)
• Phản ứng nghiêm ngặt và kiểm soát tốc độ tăng trưởng

Key theories

Động học tăng trưởng Monod

Monod đã mô tả cách tốc độ tăng trưởng đặc hiệu của một môi trường nuôi cấy vi khuẩn tăng lên theo nồng độ của một cơ chất giới hạn, đạt đến mức tối đa khi bão hòa, cung cấp một định luật định lượng liên kết sự sẵn có của chất dinh dưỡng với tốc độ tăng trưởng.

Mechanisms

Hầu hết vi khuẩn phát triển bằng cách phân đôi, vì vậy một quần thể không bị hạn chế sẽ tăng theo cấp số nhân, nhân đôi theo một khoảng thời gian không đổi; tốc độ tăng trưởng đặc hiệu thiết lập khoảng thời gian đó. Trong một môi trường nuôi cấy theo mẻ, quần thể đầu tiên thích nghi (pha tiềm phát), sau đó phát triển theo cấp số nhân, sau đó ổn định ở pha ổn định khi chất dinh dưỡng cạn kiệt hoặc chất thải tích tụ, và cuối cùng suy giảm. Động học của Monod liên hệ tốc độ tăng trưởng đặc hiệu với nồng độ của một chất dinh dưỡng giới hạn, do đó sự tăng trưởng chậm lại khi cơ chất trở nên khan hiếm (Monod, 1949). Khi chất dinh dưỡng cạn kiệt, phản ứng nghiêm ngặt, được điều hòa bởi phân tử tín hiệu (p)ppGpp, lập trình lại tế bào để làm chậm quá trình tổng hợp ribosome và tăng trưởng (Potrykus & Cashel, 2008).

Clinical relevance

Tốc độ phát triển của vi khuẩn ảnh hưởng đến tốc độ nhiễm trùng có thể hình thành và cách các môi trường nuôi cấy trong phòng thí nghiệm hoạt động, và các quần thể phụ phát triển chậm hoặc không phát triển có liên quan đến lý do tại sao một số bệnh nhiễm trùng khó điều trị. Chủ đề này giải thích động lực tăng trưởng để hiểu; nó không cung cấp các khuyến nghị chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Nghiên cứu định lượng về sự tăng trưởng của vi khuẩn đã được đặt trên một nền tảng vững chắc bởi Jacques Monod, người mà luận án năm 1942 và bài đánh giá năm 1949 đã chính thức hóa đường cong tăng trưởng và sự phụ thuộc của tốc độ tăng trưởng vào nồng độ chất dinh dưỡng (Monod, 1942; Monod, 1949). Khung của ông, cùng với chemostat nuôi cấy liên tục sau này, đã biến tăng trưởng thành một biến số có thể đo lường và kiểm soát. Việc phát hiện ra phản ứng nghiêm ngặt và (p)ppGpp đã bổ sung một giải thích phân tử về cách các tế bào điều chỉnh sự tăng trưởng theo nguồn cung cấp chất dinh dưỡng (Potrykus & Cashel, 2008).

Key figures

• Jacques Monod
• Michael Cashel

Seminal works

• monod-1949
• monod-1942

Frequently asked questions

Bốn pha của đường cong tăng trưởng vi khuẩn là gì?

Trong một môi trường nuôi cấy theo mẻ, vi khuẩn trải qua một pha tiềm phát thích nghi, một pha lũy thừa (log) nhân đôi với tốc độ không đổi, một pha ổn định nơi sự tăng trưởng và tử vong cân bằng khi tài nguyên cạn kiệt, và một pha tử vong (suy giảm).

Thời gian thế hệ là gì?

Thời gian thế hệ, hay thời gian nhân đôi, là khoảng thời gian cần thiết để một quần thể vi khuẩn nhân đôi số lượng trong quá trình tăng trưởng lũy thừa; nó thay đổi rộng rãi giữa các loài và với các điều kiện tăng trưởng.