Бактерия колонияларының өсуі және даму фазалары

Кіріспе

Бактериялық колониялардың өсуі

Бактериялық өсім – бактерияның екі қыз жасушаға бөліну арқылы көбеюі, бұл процесс екілік бөліну деп аталады. Егер мутация орын алмаса, пайда болған қыз жасушалар бастапқы жасушамен генетикалық тұрғыдан толықтай сәйкес келеді. Осылайша бактериялық өсім жүзеге асады. Бөліну нәтижесінде пайда болған екі жасушаның да тірі қалуы міндетті емес. Дегенмен, егер тірі қалған жасушалардың саны орташа есеппен біреуден көп болса, бактериялық популяция экспоненциалды өсімге ұшырайды. Жеке өсірілген культурадағы экспоненциалды бактериялық өсім қисығын өлшеу дәстүрлі түрде барлық микробиологтардың біліміне кіретін маңызды бөлік болды; мұндай өлшемдерді жүзеге асыру үшін бактерияларды тікелей және жеке-жеке (микроскопиялық зерттеу, ағын цитометриясы), тікелей және жаппай (биомасса), жанама және жеке-жеке (колонияларды санау) немесе жанама және жаппай (ең ықтимал саны, бұлыңғырлық, қоректік заттардың сіңірілуі) әдістерімен санау қажет. Модельдер теориялық есептеулерді өлшемдермен сәйкестендіреді.

Фазалары

Аутекологиялық зерттеулерде бактериялардың (немесе басқа микроорганизмдердің, мысалы, протозоалардың, микробалдырлардың немесе ашытқылардың) өсуін топтамалы дақылда төрт түрлі фазамен модельдеуге болады: кідіріс фазасы (А), логарифмдік немесе экспоненциалдық фаза (В), стационарлық фаза (С) және өлім фазасы (D). Кідіріс фазасында бактериялар өсу жағдайларына бейімделеді. Бұл - бактериялардың жетіліп, әлі де бөлінбей жатқан кезеңі. Бактериялық өсу циклінің кідіріс фазасында РНК, ферменттер және басқа молекулалардың синтезі жүргізіледі. Жасушалар кідіріс фазасында өте аз өзгеріске ұшырайды, өйткені олар жаңа ортада бірден көбеймейді. Жасушаның аз немесе мүлдем бөлінбейтін кезеңін кідіріс фазасы деп атайды және ол 1 сағаттан бірнеше күнге дейін созылуы мүмкін. Бұл кезеңде жасушалар ұйықтамайды. Логарифмдік фаза (кейде логарифмдік немесе экспоненциалдық фаза деп аталады) – жасушаның екі еселенуімен сипатталатын кезең. Уақыт бірлігіне пайда болатын жаңа бактериялардың саны қазіргі популяцияға пропорционалды. Егер өсім шектелмесе, екі еселеу тұрақты қарқынмен жалғасады, сондықтан жасушалар саны мен популяцияның өсу қарқыны әр кезекті кезеңмен екі есе артады. Экспоненциалдық өсудің бұл түрі үшін жасуша санының табиғи логарифмін уақытқа қарсы сызу тура сызықты тудырады. Бұл сызықтың еңісі – организмнің өсу жылдамдығы, бұл уақыт бірлігіне бір жасушаның бөліну санының өлшемі. Алайда экспоненциалдық өсім мәңгі жалғаса алмайды, өйткені ортада көп ұзамай қоректік заттар азайып, қалдықтар жиналады. Стационарлық фаза көбінесе өсуді шектейтін факторға, мысалы, маңызды қоректік заттың азаюына және/немесе органикалық қышқыл сияқты ингибиторлық өнімнің пайда болуына байланысты. Стационарлық фаза – өсім қарқыны мен өлім-жітім қарқыны тең жағдайдан туындайды. Жаңа жасушалардың саны өсу факторымен шектеледі, сондықтан жасушалардың өсу қарқыны жасушалардың өлу қарқынына сәйкес келеді. Нәтижесінде стационарлық фаза кезінде қисықтың тегіс, көлденең сызықтық бөлігі пайда болады. Мутациялар стационарлық фаза кезінде болуы мүмкін. Bridges және басқалар (2001) ДНК зақымдануы стационарлық фазадағы немесе аштыққа ұшыраған бактериялардың геномдарында пайда болатын көптеген мутациялардың себебі екеніне дәлел келтірді. Эндогендік жолмен пайда болатын реактивті оттегі түрлері осындай зақымданулардың негізгі көзі болып көрінеді. Олардың экспоненциалдық фазалық өсуі көбінесе тұрақты жылдамдық емес, керісінше, баяу төмендеу жылдамдығы, өсімдіктердің көбеюіне және қоректік заттардың азаюына, қалдықтардың жиналуына байланысты тұрақты стохастикалық жауап болып табылады. Бактериялардың санының азаюы тіпті логарифмдік деңгейге жетеді. Сондықтан, өсудің бұл кезеңін теріс логарифмдік немесе теріс экспоненциалдық өсу кезеңі деп те атауға болады. Логарифмдік фазаның соңындағы топтамалы дақылда Bacillus subtilis және басқа бактериялар сияқты табиғи генетикалық трансформацияға қабілеттілік туындауы мүмкін. Табиғи генетикалық трансформация – ДНК зақымдануын қалпына келтіру үшін бейімделу болып көрінетін ДНК-ның көшіру түрі. Топтамалы дақыл – бактериялардың өсуін зерттейтін зертханалық өсірудің ең көп таралған әдісі, бірақ бұл көптеген әдістердің бірі ғана. Ол кеңістікте құрылымсыз және уақыт бойынша құрылымды. Бактериялық дақыл жабық ыдыста бір партия ортамен инкубацияланады. Кейбір тәжірибелік режимдерде бактериялық дақылдың бір бөлігі мезгіл-мезгіл алынып, жаңа стерильді ортаға қосылады. Ең ауыр жағдайда бұл қоректік заттардың үнемі жаңаруына әкеледі. Бұл – химиостат, оны үздіксіз дақыл деп те атайды. Ол кеңістікте және уақыт бойынша құрылымсыз, қоректік заттармен қамтамасыз ету және бактериялардың өсуі арқылы анықталатын тұрақты күйде. Топтамалы дақылмен салыстырғанда, бактериялар экспоненциалдық өсу фазасында сақталады және бактериялардың өсу қарқыны белгілі. Бұған байланысты құрылғыларға турбидостаттар мен ауксостаттар жатады. Е. coli бактериясы химиостатта 16 сағат ішінде екі еселеніп өте баяу өскен кезде, жасушалардың көпшілігі бір хромосомадан тұрады. Ауасы мен осмолярлығын сақтау үшін стерильді дистилденген сумен қамтамасыз ету арқылы аэробты өсірілген дақылдарды ~106 колония құраушы бірлік (CFU)/мл тығыздығында 5 жылдан астам уақыт бойы топтамалы дақылға қоректік заттар қосылмай ұстауға болады.

In autecological studies, the growth of bacteria (or other microorganisms, as protozoa, microalgae or yeasts) in batch culture can be modeled with four different phases: lag phase (A), log phase or exponential phase (B), stationary phase (C), and death phase (D). During lag phase, bacteria adapt themselves to growth conditions. It is the period where the individual bacteria are maturing and not yet able to divide. During the lag phase of the bacterial growth cycle, synthesis of RNA, enzymes and other molecules occurs. During the lag phase cells change very little because the cells do not immediately reproduce in a new medium. This period of little to no cell division is called the lag phase and can last for 1 hour to several days. During this phase cells are not dormant. The log phase (sometimes called the logarithmic phase or the exponential phase) is a period characterized by cell doubling. The number of new bacteria appearing per unit time is proportional to the present population. If growth is not limited, doubling will continue at a constant rate so both the number of cells and the rate of population increase doubles with each consecutive time period. For this type of exponential growth, plotting the natural logarithm of cell number against time produces a straight line. The slope of this line is the specific growth rate of the organism, which is a measure of the number of divisions per cell per unit time. Exponential growth cannot continue indefinitely, however, because the medium is soon depleted of nutrients and enriched with wastes. The stationary phase is often due to a growth limiting factor such as the depletion of an essential nutrient, and/or the formation of an inhibitory product such as an organic acid. Stationary phase results from a situation in which growth rate and death rate are equal. The number of new cells created is limited by the growth factor and as a result the rate of cell growth matches the rate of cell death. The result is a “smooth,” horizontal linear part of the curve during the stationary phase. Mutations can occur during stationary phase. Bridges et al. (2001) presented evidence that DNA damage is responsible for many of the mutations arising in the genomes of stationary phase or starving bacteria. Endogenously generated reactive oxygen species appear to be a major source of such damages.) and their exponential phase growth is often not ever a constant rate, but instead a slowly decaying rate, a constant stochastic response to pressures both to reproduce and to go dormant in the face of declining nutrient concentrations and increasing waste concentrations. The decrease in number of bacteria may even become logarithmic. Hence, this phase of growth may also be called as negative logarithmic or negative exponential growth phase. Near the end of the logarithmic phase of a batch culture, competence for natural genetic transformation may be induced, as in Bacillus subtilis and in other bacteria. Natural genetic transformation is a form of DNA transfer that appears to be an adaptation for repairing DNA damages. Batch culture is the most common laboratory growth method in which bacterial growth is studied, but it is only one of many. It is ideally spatially unstructured and temporally structured. The bacterial culture is incubated in a closed vessel with a single batch of medium. In some experimental regimes, some of the bacterial culture is periodically removed and added to fresh sterile medium. In the extreme case, this leads to the continual renewal of the nutrients. This is a chemostat, also known as continuous culture. It is ideally spatially unstructured and temporally unstructured, in a steady state defined by the rates of nutrient supply and bacterial growth. In comparison to batch culture, bacteria are maintained in exponential growth phase, and the growth rate of the bacteria is known. Related devices include turbidostats and auxostats. When Escherichia coli is growing very slowly with a doubling time of 16 hours in a chemostat most cells have a single chromosome. By providing sterile distilled water to maintain volume and osmolarity, aerobically grown cultures can be maintained at densities of ~106 colony forming units (CFUs) per ml for more than 5 years without the addition of nutrients in batch culture.

Қоршаған орта жағдайлары

Қоршаған орта факторлары бактериялардың өсу жылдамдығына әсер етеді, мысалы, қышқылдық (pH), температура, су әрекеті, макро және микроэлементтер, оттегі деңгейі және уыттар. Экстремофильдерден басқа, жағдайлар бактериялар арасында салыстырмалы түрде тұрақты болады. Бактериялардың өсуі үшін ең қолайлы жағдайлар бар, бірақ осы жағдайлардан тыс болғанда, стресс өсудің баяулауына немесе тоқтауына, ұйықтау кезеңіне (мысалы, спора түзілуіне) немесе өлімге алып келуі мүмкін. Тағамды сақтаудың негізгі принципі – өсуге ең қолайлы емес жағдайларды сақтау.

Қышқылдық

Бактериялар үшін оңтайлы қышқылдық, ацидофилдерді есептемегенде, pH 6,5-7,0 шамасында болады. Кейбір бактериялар қышқыл бөліп шығару сияқты жолдармен pH деңгейін өзгерте алады, бұл оңтайлы емес жағдайларға алып келеді.

Уытты қосылыстар

Улы қосылыстар, мысалы этанол, бактериялардың өсуін тежейді немесе оларды өлтіруі мүмкін. Бұл дезинфекциялау және тағам сақтау үшін пайдалы қолданылады.