Ajutor la Tele2, tarife, intrebari

1. Creșterea și reproducerea bacteriilor

Creșterea bacteriană este o creștere a dimensiunii celulelor bacteriene fără creșterea numărului de indivizi din populație.

Reproducerea bacteriilor este un proces care asigură o creștere a numărului de indivizi dintr-o populație. Bacteriile se caracterizează printr-o rată ridicată de reproducere.

Creșterea precede întotdeauna reproducerea. Bacteriile se reproduc prin fisiune binară transversală, în care dintr-o celulă mamă se formează două celule fiice identice.

Procesul de diviziune celulară bacteriană începe cu replicarea ADN-ului cromozomial. În punctul de atașare a cromozomului la membrana citoplasmatică (punctul replicator), acționează o proteină inițiatoare, care provoacă ruperea inelului cromozomului, iar apoi are loc despiralizarea firelor acestuia. Firele se desfășoară, iar al doilea fir se atașează la membrana citoplasmatică în punctul pro-replicator, care este diametral opus punctului replicator. Datorită ADN-polimerazelor, o copie exactă a fiecărei catene este completată de-a lungul matricei. Dublarea materialului genetic este un semnal pentru dublarea numărului de organite. În mezosomii septali, se construiește un sept care împarte celula în jumătate.

ADN-ul dublu catenar este elicoidal, răsucit într-un inel în punctul de atașare la membrana citoplasmatică. Acesta este un semnal pentru ca celulele să se disperseze de-a lungul septului. Se formează două fiice.

Pe mediile nutritive solide, bacteriile formează grupuri de celule - colonii, care variază în mărime, formă, suprafață, culoare etc. Pe mediile lichide, creșterea bacteriană se caracterizează prin formarea unui film pe suprafața mediului nutritiv, turbiditate uniformă sau sediment.

Reproducerea bacteriilor este determinată de timpul de generare. Aceasta este perioada în care are loc diviziunea celulară. Durata de generare depinde de tipul bacteriilor, vârstă, compoziția mediului nutritiv, temperatură etc.

Fazele reproducerii celulelor bacteriene pe un mediu nutritiv lichid:

1) faza staționară inițială; cantitatea de bacterii care a intrat în mediul nutritiv și care rămâne în acesta;

2) faza de lag (faza de repaus); durata – 3–4 ore, bacteriile se adaptează la mediul nutritiv, începe creșterea activă a celulelor, dar încă nu există reproducere activă; în acest moment cantitatea de proteine ​​și ARN crește;

3) faza reproducerii logaritmice; procesele de reproducere celulară în populație sunt în desfășurare activ, reproducerea prevalează asupra morții;

4) faza staționară maximă; bacteriile ating concentrația maximă, adică numărul maxim de indivizi viabili din populație; numărul de bacterii moarte este egal cu numărul de bacterii formate; nu există o creștere suplimentară a numărului de indivizi;

5) faza de moarte accelerată; procesele morții prevalează asupra procesului de reproducere, deoarece substraturile nutritive din mediu sunt epuizate. Produsele toxice și produsele metabolice se acumulează. Această fază poate fi evitată dacă utilizați metoda de cultivare în flux: produsele metabolice sunt în mod constant îndepărtate din mediul nutritiv și nutrienții sunt completați.

Creșterea bacteriană are loc ca urmare a multor reacții biochimice interconectate care sintetizează materialul celular. În bacterii, se face o distincție între creșterea individuală a unei celule bacteriene și creșterea bacteriilor într-o populație.

Creșterea individuală este judecată după creșterea dimensiunii indivizilor. Rata de creștere depinde de condițiile externe și de starea fiziologică a celulei în sine. În condiții constante, creșterea are loc într-un ritm constant. Bacteriile în formă de baston cresc predominant în direcția axei lungi; cocii cresc uniform în toate direcțiile. În intervalul dintre diviziunile celulare, bacteriile sunt mai mari decât imediat după diviziune.

Reproducerea bacteriilor

Cel mai adesea, bacteriile se reproduc prin fisiune binară, atunci când o celulă este formată în două, fiecare dintre acestea se împarte din nou. Procesul de divizare este întotdeauna precedat de replicarea ADN-ului (dublare). Există două tipuri de împărțire - împărțirea prin constrângere (împărțire) și utilizarea unei partiții transversale (Figura A.7).

Împărțirea prin constrângere(constricția) este însoțită de o îngustare a celulei la locul diviziunii sale și toate straturile de membrane celulare iau parte la acest proces. Proeminența membranelor în celulă o îngustează din ce în ce mai mult și, în cele din urmă, o împarte în două. Această diviziune este caracteristică bacteriilor gram-negative. Diviziune pentru a forma un sept transversal caracteristice bacteriilor gram-pozitive. Cu toate acestea, în unele grupuri de bacterii s-a observat o schimbare a metodelor de divizare (bacteriile tionice, micobacterii). La bacteriile sferice se pot forma mai multe septuri transversale (tetracoci, sarcina). Care înmugurește Ubacteria este un tip de fisiune binară. Această metodă de reproducere este caracteristică bacteriilor care au cicluri celulare dimorfe sau polimorfe. Bacteriile în devenire sunt caracterizate de polaritatea celulară. Unele bacterii se reproduc folosind exospori (dar nu endospori!), altele - prin fragmente de hife (actinomicete). Unele bacterii au vilozități genitale sau F-a băut.

Se numește perioada de la împărțire la împărțire ciclul celulei. Există mai multe tipuri de ciclu celular vegetativ: monomorfă- se formează un singur tip morfologic de celule (de exemplu, bacili), dimorfă- două tipuri morfologice de celule, polimorfă- mai multe (actinomicete). În ciclurile dimorfe și polimorfe, se disting celulele fiice și cele mamă.

Bacteriile se caracterizează printr-o rată ridicată de reproducere. De exemplu, în condiții favorabile, E. coli se împarte la fiecare 20-30 de minute, pe zi aceasta dă 2 72, adică. 72 de generații. În condiții care exclud moartea, această biomasă va fi de 4720 de tone.Viteza de reproducere depinde de factorii de mediu (temperatură, condiții nutriționale, umiditate, reacția mediului etc.) și de caracteristicile speciilor ale bacteriilor. Rata ridicată de reproducere a bacteriilor asigură păstrarea acestora pe pământ chiar și în condiții de moarte în masă. Celulele individuale supraviețuitoare se înmulțesc și dau naștere din nou.

Creșterea bacteriilor într-o populație. Populația (fr. populatie- populație) este o colecție de bacterii din aceeași specie (cultură pură) sau specii diferite (asociere mixtă), care se dezvoltă într-un spațiu limitat (de exemplu, într-un mediu nutritiv). Într-o populație bacteriană, celulele cresc, se reproduc și mor în mod constant. Cultivarea microorganismelor în condiții artificiale poate fi periodică, continuă și sincronă.

Cultivare discontinuă (staționară). are loc fără intrarea și ieșirea mediului nutritiv. Se caracterizează prin clasic curba de creștere a microorganismelor,în care se disting faze separate de creștere ale populației bacteriene, reflectând modelul general de creștere și reproducere celulară.

Faza de întârziere(Engleză) lag- lag) începe din momentul în care bacteriile sunt inoculate într-un mediu nutritiv proaspăt. Celulele se adaptează la aceste condiții de cultură, cresc, dar nu se înmulțesc; ating o rată maximă de creștere. Ratele de creștere absolute și specifice cresc de la zero la valorile maxime posibile.

Rata de creștere absolută este determinată de relația:

V = dx/dt , (1.1)

Unde V - creșterea biomasei sau a numărului de celule, exprimată în unități de masă, număr de celule sau în unități convenționale pe unitatea de timp.

X- biomasa sau numarul de celule;

t- timp.

Rata de creștere specifică determinat de formula:

µ = (dx/dt) ? 1/x, (1.2)

Unde µ - creșterea biomasei pe unitatea de timp pe unitatea de biomasă,

X- biomasa initiala.

Durata fazei de întârziere depinde de caracteristicile biologice ale bacteriilor, vârsta culturii, cantitatea de inocul, compoziția mediului nutritiv, temperatură, aerare, pH etc. Unele bacterii au o perioadă scurtă de întârziere a creșterii. , altele una lungă. Cu cât cultura este mai tânără, cu atât perioada este mai scurtă. Cu cât compoziția mediului nutritiv este mai apropiată de cea în care au fost crescute microorganismele, cu atât faza de întârziere este mai scurtă. Modificările în mediul nutritiv duc la o modificare a fazei de întârziere, deoarece este nevoie de timp pentru a sintetiza enzimele sau a crește activitatea acestora. Astfel, factorii de întârziere a creșterii pot fi împărțiți în externi (compoziția mediului, pH, temperatură etc.) și interni (vârsta culturii). Durata fazei poate fi de la câteva minute la câteva ore și chiar zile. În această fază μ = 0 .

Faza de jurnal (logaritmică, sau exponenţială) se caracterizează prin rata maximă de diviziune bacteriană. Numărul total de bacterii este determinat de formula:

N = N0-2 n, (1.3)

Unde N Și N 0- numarul total de celule la sfarsitul fazei si respectiv la inceputul fazei;

n- numărul de generații, sau generații.

În practica microbiologică, pentru a exprima numărul total de celule microbiene, ele folosesc cel mai adesea nu numere absolute (deoarece ajung la valori enorme), ci logaritmii lor. După luarea logaritmului ecuației (1.3): log N = log N 0 + n?lg2, n?lg2 = log N - log N 0, deci numărul de generații este: n = (log N - log N 0)/ log2

Rata de reproducere a unei celule sau perioada de generație:

g = t/n , (1.4)

Unde t - timp;

n - numărul de generații;

g- perioada generatiei.

Mijloace: g = t ?lg 2 / (log N - log N 0) (1.5)

Ecuațiile de mai sus se bazează pe presupunerea că în faza log, 100% din celule sunt viabile. Cu toate acestea, s-a stabilit experimental că aproximativ 20% din celule mor chiar și în această fază, așa că se face o modificare la formulele date - în loc de 2, se ia 1,6.

Creșterea exponențială a populației este descrisă de ecuația:

X = X 0? e μ max ? t , (1.6)

Unde X Și X 0 - numărul de celule (sau biomasă) la sfârşitul şi, respectiv, la începutul experimentului;

t- timpul de experiență;

e- baza logaritmului natural;

μ max - rata de creștere specifică maximă.

În timpul fazei logaritmice, majoritatea celulelor sunt tinere din punct de vedere fiziologic, active biochimic și, de asemenea, cele mai sensibile la factorii de mediu nefavorabili. În această fază μ = max .

Faza de creștere lentă. Combină două faze - faza de crestere liniara(μ = const) și faza de accelerare negativă. Faza este caracterizată în timpul perioadei de creștere liniară printr-o rată constantă de creștere a biomasei (număr de celule). Apoi, la trecerea la faza de accelerare negativă, numărul de celule în diviziune scade. Debutul fazei se explică prin modificări cantitative ale compoziției mediului nutritiv (consum de nutrienți, acumulare de produse metabolice).

Faza stationara caracterizată printr-un echilibru între celulele moarte și cele nou formate. Factorii care limitează creșterea bacteriană în faza anterioară sunt cauza fazei staționare. Nu există o creștere a biomasei (μ = 0 ) . În această fază se observă biomasa maximă și numărul total maxim de celule. Aceste valori maxime sunt numite recolta, sau Ieșire.

Faza de retragere (moartea celulară exponențială) se caracterizează printr-o scădere a numărului de celule vii, o creștere a eterogenității populației (apar celule care nu percep colorantul, cu dezvoltare slabă a stratului murein etc.). Procesul morții prevalează asupra diviziunii (μ< 0).

Faza de supraviețuire caracterizată prin prezența celulelor individuale care și-au păstrat viabilitatea mult timp în condiții de moarte a majorității celulelor din populație. Celulele supraviețuitoare se caracterizează prin activitate scăzută a proceselor metabolice, modificări ale ultrastructurii celulare (citoplasmă cu granulație fină, absența poliribozomilor etc.). Celulele sunt mai rezistente la condițiile de mediu nefavorabile.

Astfel, în timpul cultivării staționare, celulele microbiene sunt în permanență în condiții de schimbare: la început toți nutrienții sunt în exces, apoi deficiența lor apare treptat, apoi celulele sunt otrăvite de produse metabolice.

Influența factorilor limitatori asupra ratei de creștere. Pentru creșterea și dezvoltarea normală a microorganismelor, mediul trebuie să conțină nutrienții necesari, să aibă pH-ul, temperatura, etc. Factorii care limitează creșterea unei culturi sunt numiți limitare. O trăsătură caracteristică a creșterii unei populații de microorganisme este dependența ratei specifice de creștere de concentrația substratului. Această dependență este exprimată Ecuația lui Monod, care este o funcție hiperbolică:

μ = μ max ? S/(S + K S), (1.7)

Unde μ - rata de crestere specifica ;

μmax- rata de crestere specifica maxima;

S- concentratia substratului;

K S- constantă de saturație, numeric egală cu concentrația substratului care asigură o rată de creștere corespunzătoare la jumătate din valoarea lui μ max.

Pe măsură ce se consumă nutrienți, mediul este îmbogățit cu produse metabolice, care limitează și creșterea culturii. Cel mai general caz de influență a concentrației substratului și a produselor metabolice asupra ratei de creștere a unei populații de microorganisme este reflectat în modelul N.D. Ierusalim:

μ = μ max ? S/(S + K S) ? K R / (K R + R), (1.8)

Unde R- concentratia produselor metabolice;

K R- o constantă numeric egală cu concentrația de produse metabolice la care ritmul de creștere încetinește la jumătate.

Analiza acestei ecuații arată că în condiția K P >> P, când valoarea lui P poate fi neglijată. rata de crestere este limitata doar de concentratia substratului. Dacă S >> K S , atunci ritmul de creștere este limitat de acumularea de produse metabolice.

Cultivare continuă. Dacă un mediu nutritiv proaspăt este furnizat continuu în recipientul în care se află populația bacteriană și, în același timp, un lichid de cultură care conține celule bacteriene și produse metabolice este îndepărtat în același ritm, atunci se obține cultivarea continuă. Prin ajustarea vitezei mediului de curgere, este posibil să se controleze creșterea populației bacteriene, de exemplu, extinzând faza logaritmică sau staționară pentru orice timp necesar. Cultivarea continuă se realizează în dispozitive speciale - chemostate și turbidostate. Cultivarea continuă a microorganismelor este folosită pentru studiul fiziologiei, biochimiei, geneticii, etc. și este utilizată pe scară largă în industria microbiologică.

Culturi sincrone- acestea sunt culturi în care de ceva timp toate celulele se divid simultan (sincron) datorită pregătirii egale pentru diviziunea tuturor indivizilor. Sincronizarea se realizează prin metode fizico-chimico-biologice. Metodele fizice includ expunerea la temperatură, centrifugarea diferențială sau filtrarea diferențială, metodele chimice și biologice includ înfometarea forțată a bacteriilor, creșterea bacteriilor pe medii inferioare și apoi transferarea lor în medii complete. Culturile sincrone sunt folosite pentru studii genetice și citologice, pentru a studia sinteza componentelor celulare individuale în timpul diviziunii bacteriene.

Reproducerea bacteriilor prin fisiune este cea mai comună metodă de creștere a dimensiunii unei populații microbiene. După divizare, bacteriile cresc la dimensiunea inițială, ceea ce necesită anumite substanțe (factori de creștere).

Metodele de reproducere a bacteriilor sunt diferite, dar majoritatea speciilor lor au o formă de reproducere asexuată prin fisiune. Bacteriile se reproduc rar prin înmugurire. Reproducerea sexuală a bacteriilor este prezentă într-o formă primitivă.

Orez. 1. Fotografia prezintă o celulă bacteriană în stadiul de diviziune.

Aparatul genetic al bacteriilor

Aparatul genetic al bacteriilor este reprezentat de un singur ADN - cromozom. ADN-ul este închis într-un cerc. Cromozomul este localizat într-o nucleotidă care nu are membrană. O celulă bacteriană conține plasmide.

Nucleoid

Un nucleoid este un analog al unui nucleu. Este situat în centrul celulei. Conține ADN, purtătorul de informații ereditare într-o formă pliată. ADN-ul derulat atinge o lungime de 1 mm. Substanța nucleară a unei celule bacteriene nu are o membrană, un nucleol sau un set de cromozomi și nu se împarte prin mitoză. Înainte de împărțire, nucleotida este dublată. În timpul diviziunii, numărul de nucleotide crește la 4.

Orez. 2. Fotografia prezintă o celulă bacteriană într-o secțiune. O nucleotidă este vizibilă în partea centrală.

Plasmide

Plasmidele sunt molecule autonome pliate într-un inel de ADN dublu catenar. Masa lor este semnificativ mai mică decât masa unei nucleotide. În ciuda faptului că informațiile ereditare sunt codificate în ADN-ul plasmidelor, acestea nu sunt vitale și necesare pentru celula bacteriană.

Orez. 3. Fotografia prezintă o plasmidă bacteriană.

Etapele diviziunii

După atingerea unei anumite dimensiuni caracteristice unei celule adulte, se lansează mecanismele de divizare.

Replicarea ADN-ului

Replicarea ADN-ului precede diviziunea celulară. Mezozomii (pliurile membranei citoplasmatice) rețin ADN-ul până la finalizarea procesului de diviziune (replicare).

Replicarea ADN-ului se realizează cu ajutorul enzimelor ADN polimeraze. În timpul replicării, legăturile de hidrogen din ADN-ul dublu catenar sunt rupte, rezultând două ADN-uri fiice monocatenar formate dintr-un ADN. Ulterior, când ADN-urile fiice și-au luat locul în celulele fiice separate, acestea sunt restaurate.

De îndată ce replicarea ADN-ului este completă, apare o constricție ca rezultat al sintezei, împărțind celula în jumătate. Mai întâi, nucleotida este supusă diviziunii, apoi citoplasma. Sinteza peretelui celular completează diviziunea.

Orez. 4. Schema diviziunii celulare bacteriene.

Schimb de secțiuni de ADN

În Bacillus subtilis, procesul de replicare a ADN-ului se termină cu schimbul a două secțiuni de ADN.

După diviziunea celulară, se formează o punte prin care ADN-ul unei celule trece în alta. În continuare, ambele ADN-uri sunt împletite. Unele secțiuni ale ambelor ADN se lipesc împreună. La locurile de aderență, segmentele de ADN sunt schimbate. Unul dintre ADN merge de-a lungul jumperului înapoi în prima celulă.

Orez. 5. Varianta schimbului de ADN la Bacillus subtilis.

Tipuri de diviziuni celulare bacteriene

Dacă diviziunea celulară este înaintea procesului de separare, atunci se formează bastonașe multicelulare și coci.

Cu diviziunea celulară sincronă, se formează două celule fiice cu drepturi depline.

Dacă nucleotida se împarte mai repede decât celula însăși, atunci se formează bacterii multinucleotide.

Metode de separare a bacteriilor

Împărțire prin rupere

Diviziunea prin rupere este caracteristică bacililor antraxului. Ca urmare a acestei diviziuni, celulele se rup în punctele de joncțiune, rupând punțile citoplasmatice. Apoi se resping reciproc, formând lanțuri.

Diviziune de alunecare

Cu separarea prin alunecare, după diviziune, celula se desprinde și, parcă, alunecă de-a lungul suprafeței altei celule. Această metodă de separare este tipică pentru unele forme de Escherichia.

Split split

Cu diviziune secantă, una dintre celulele divizate cu capătul liber descrie un arc de cerc, al cărui centru este punctul de contact cu o altă celulă, formând un quinque sau cuneiform roman (Corynebacterium diphtheria, Listeria).

Orez. 6. Fotografia prezintă bacterii în formă de tijă care formează lanțuri (bacili antrax).

Orez. 7. Fotografia prezintă o metodă de alunecare pentru separarea E. coli.

Orez. 8. Metoda de scindare de separare a corinebacteriilor.

Tipul de grupuri bacteriene după divizare

Grupurile de celule care se divizează au o varietate de forme, care depind de direcția planului de diviziune.

Bacteriile globulare aranjate unul câte unul, doi câte doi (diplococi), în pachete, în lanțuri, sau ca ciorchinii de struguri. Bacteriile în formă de tijă - în lanțuri.

Bacteriile în formă de spirală- haotic.

Orez. 9. Fotografia prezintă micrococi. Sunt rotunde, netede și de culoare albă, galbenă și roșie. În natură, micrococii sunt omniprezenti. Ei trăiesc în diferite cavități ale corpului uman.

Orez. 10. În fotografie există bacterii diplococcus - Streptococcus pneumoniae.

Orez. 11. Fotografia prezintă bacterii Sarcina. Bacteriile cocoide se adună împreună în pachete.

Orez. 12. Fotografia prezintă bacterii streptococi (din grecescul „streptos” - lanț). Aranjate în lanțuri. Sunt agenți cauzali ai mai multor boli.

Orez. 13. În fotografie, bacteriile sunt stafilococi „de aur”. Aranjate ca „ciorchini de struguri”. Ciorchinii sunt de culoare aurie. Sunt agenți cauzali ai mai multor boli.

Orez. 14. În fotografie, bacteriile Leptospira încolăcite sunt agenții cauzali ai multor boli.

Orez. 15. Fotografia prezintă bacterii în formă de tijă din genul Vibrio.

Rata diviziunii bacteriene

Rata diviziunii bacteriene este extrem de mare. În medie, o celulă bacteriană se divide la fiecare 20 de minute. În doar o zi, o celulă formează 72 de generații de descendenți. Mycobacterium tuberculosis se divide lent. Întregul proces de divizare le durează aproximativ 14 ore.

Orez. 16. Fotografia prezintă procesul de diviziune celulară a streptococului.

Reproducerea sexuală a bacteriilor

În 1946, oamenii de știință au descoperit reproducerea sexuală într-o formă primitivă. În acest caz, gameții (celule reproducătoare masculine și feminine) nu se formează, dar unele celule schimbă material genetic ( recombinare genetică).

Transferul genelor are loc ca urmare conjugare- transfer unidirecţional al unei părţi a informaţiei genetice sub formă plasmide la contactul cu celulele bacteriene.

Plasmidele sunt molecule mici de ADN. Ele nu sunt asociate cu genomul cromozomului și sunt capabile să se dubleze în mod autonom. Plasmidele conțin gene care cresc rezistența celulelor bacteriene la condiții de mediu nefavorabile. Bacteriile transmit adesea aceste gene între ele. Se remarcă, de asemenea, transferul informațiilor genetice către bacterii din altă specie.

În absența unui adevărat proces sexual, este conjugarea care joacă un rol imens în schimbul de caracteristici utile. Acesta este modul în care se transmite capacitatea bacteriilor de a prezenta rezistență la medicamente. Transferul rezistenței la antibiotice între populațiile care cauzează boli este deosebit de periculos pentru umanitate.

Orez. 17. Fotografia arată momentul conjugării a două E. coli.

Fazele dezvoltării populației bacteriene

Când este inoculată pe un mediu nutritiv, dezvoltarea populației bacteriene trece prin mai multe faze.

Faza initiala

Faza inițială este perioada de la momentul însămânțării până la creșterea lor. În medie, faza inițială durează 1 - 2 ore.

Faza de întârziere a reproducerii

Aceasta este faza creșterii bacteriene intensive. Durata sa este de aproximativ 2 ore. Depinde de vârsta culturii, perioada de adaptare, calitatea mediului nutritiv etc.

Faza logaritmică

În această fază, există un vârf în rata de reproducere și creșterea populației bacteriene. Durata sa este de 5 - 6 ore.

Faza de accelerare negativă

În această fază, are loc o scădere a ratei de reproducere, numărul de bacterii care se divizează scade și numărul de bacterii moarte crește. Motivul pentru accelerarea negativă este epuizarea mediului nutritiv. Durata sa este de aproximativ 2 ore.

Faza maximă staționară

În timpul fazei staționare, se observă un număr egal de indivizi morți și nou formați. Durata sa este de aproximativ 2 ore.

Faza de accelerare a morții

În această fază, numărul de celule moarte crește progresiv. Durata sa este de aproximativ 3 ore.

Faza de moarte logaritmică

În această fază, celulele bacteriene mor într-un ritm constant. Durata sa este de aproximativ 5 ore.

Faza de scădere a ratei

În această fază, celulele bacteriene vii rămase intră într-o stare de repaus.

Orez. 18. Figura prezintă curba de creștere a unei populații bacteriene.

Orez. 19. În fotografie, o colonie de Pseudomonas aeruginosa este albastru-verde, o colonie de micrococi este galbenă, o colonie de Bacterium prodigiosum este roșu sânge, iar o colonie de Bacteroides niger este neagră.

Orez. 20. Fotografia prezintă o colonie de bacterii. Fiecare colonie este descendentul unei singure celule. Într-o colonie, numărul de celule este de milioane. Colonia crește în 1 - 3 zile.

Divizarea bacteriilor sensibile magnetic

În anii 1970, au fost descoperite bacterii care trăiau în mări care aveau un sentiment de magnetism. Magnetismul permite acestor creaturi uimitoare să navigheze de-a lungul liniilor câmpului magnetic al Pământului și să găsească sulf, oxigen și alte substanțe de care are atât de mult nevoie. „Busola” lor este reprezentată de magnetozomi, care constau dintr-un magnet. Când se împart, bacteriile sensibile magnetic își împart busola. În acest caz, constricția în timpul diviziunii devine în mod clar insuficientă, astfel încât celula bacteriană se îndoaie și face o fractură ascuțită.

Orez. 21. Fotografia arată momentul divizării unei bacterii sensibile magnetic.

Creșterea bacteriană

Când o celulă bacteriană începe să se dividă, două molecule de ADN se deplasează la capetele opuse ale celulei. Apoi, celula este împărțită în două părți egale, care sunt separate una de cealaltă și cresc la dimensiunea lor originală. Viteza de divizare a multor bacterii este în medie de 20 - 30 de minute. În doar o zi, o celulă formează 72 de generații de descendenți.

În timpul procesului de creștere și dezvoltare, o masă de celule absoarbe rapid substanțele nutritive din mediu. Acest lucru este facilitat de factorii de mediu favorabili - condițiile de temperatură, cantitățile suficiente de nutrienți și pH-ul necesar al mediului. Celulele aerobe au nevoie de oxigen. Este periculos pentru anaerobi. Cu toate acestea, proliferarea nelimitată a bacteriilor nu are loc în natură. Lumina soarelui, aerul uscat, lipsa alimentelor, temperatura ambientală ridicată și alți factori au un efect dăunător asupra celulei bacteriene.

Orez. 22. Fotografia prezintă momentul diviziunii celulare.

Factori de creștere

Pentru creșterea bacteriilor sunt necesare anumite substanțe (factori de creștere), dintre care unele sunt sintetizate chiar de celulă, dintre care unele provin din mediul înconjurător. Nevoia de factori de creștere este diferită pentru toate bacteriile.

Nevoia de factori de creștere este o caracteristică constantă, ceea ce face posibilă utilizarea acestuia pentru identificarea bacteriilor, pregătirea mediilor nutritive și utilizarea acestuia în biotehnologie.

Factorii de creștere a bacteriilor (vitamine bacteriene) sunt elemente chimice, dintre care majoritatea sunt vitamine B solubile în apă. Acest grup include, de asemenea, bazele hemină, colină, purinică și pirimidină și alți aminoacizi. În absența factorilor de creștere, apare bacteriostaza.

Bacteriile folosesc factori de creștere în cantități minime și neschimbate. O serie de substanțe chimice din acest grup fac parte din enzimele celulare.

Orez. 23. Fotografia arată momentul divizării unei bacterii în formă de tijă.

Cei mai importanți factori de creștere a bacteriilor

• Vitamina B1 (tiamina). Ia parte la metabolismul carbohidraților.
• Vitamina B2" (riboflavina). Ia parte la reacțiile redox.
• Acid pantotenic este o componentă a coenzimei A.
• Vitamina B6 (piridoxina). Ia parte la metabolismul aminoacizilor.
• Vitaminele B12(cobalaminele sunt substanțe care conțin cobalt). Ele participă activ la sinteza nucleotidelor.
• Acid folic. Unii dintre derivații săi fac parte din enzimele care catalizează sinteza bazelor purinice și pirimidinice, precum și a unor aminoacizi.
• Biotina. Participă la metabolismul azotului și, de asemenea, catalizează sinteza acizilor grași nesaturați.
• Vitamina PP(un acid nicotinic). Participă la reacții redox, la formarea enzimelor și la metabolismul lipidelor și carbohidraților.
• Vitamina H(acid para-aminobenzoic). Este un factor de creștere pentru multe bacterii, inclusiv pentru cele care locuiesc în intestinele umane. Acidul folic este sintetizat din acidul para-aminobenzoic.
• Gemini. Este o componentă a unor enzime care participă la reacțiile de oxidare.
• Kholin. Ia parte la reacțiile de sinteza lipidelor peretelui celular. Este un furnizor de grupare metil în sinteza aminoacizilor.
• Baze purinice și pirimidinice(adenină, guanină, xantină, hipoxantină, citozină, timină și uracil). Substanțele sunt necesare în principal ca componente ale acizilor nucleici.
• Aminoacizi. Aceste substanțe sunt componente ale proteinelor celulare.

Cerința pentru factorii de creștere a anumitor bacterii

Auxotrofe Pentru a asigura viața, necesită furnizarea de substanțe chimice din exterior. De exemplu, clostridiile nu sunt capabile să sintetizeze lecitină și tirozină. Stafilococii necesită aport de lecitină și arginină. Streptococii necesită furnizarea de acizi grași - componente ale fosfolipidelor. Corynebacteriile și Shigella necesită acid nicotinic. Staphylococcus aureus, pneumococul și Brucella necesită vitamina B1. Streptococi și bacili tetanici - în acid pantotenic.

Prototrofe sintetiza in mod independent substantele necesare.

Orez. 24. Condiții de mediu diferite au efecte diferite asupra creșterii coloniilor bacteriene. În stânga este o creștere constantă sub forma unui cerc care se extinde încet. În dreapta este o creștere rapidă sub formă de „lăstari”.

Studierea necesității bacteriilor pentru factorii de creștere permite oamenilor de știință să obțină o masă microbiană mare, atât de necesară în fabricarea medicamentelor antimicrobiene, a serurilor și a vaccinurilor.

Citiți mai multe despre bacterii în articolele:

Proliferarea bacteriană este un mecanism de creștere a numărului de populații microbiene. Diviziunea bacteriană este principala metodă de reproducere. După împărțire, bacteriile trebuie să atingă dimensiunea adultului. Bacteriile cresc prin absorbția rapidă a nutrienților din mediul lor. Creșterea necesită anumite substanțe (factori de creștere), dintre care unele sunt sintetizate chiar de celula bacteriană, iar unele provin din mediul înconjurător.

Studiind creșterea și reproducerea bacteriilor, oamenii de știință descoperă în mod constant proprietățile benefice ale microorganismelor, a căror utilizare în viața de zi cu zi și în producție este limitată doar de proprietățile lor.

Creșterea bacteriană- Aceasta este o creștere a numărului, masei și dimensiunii întregii celule microbiene, începând imediat după divizarea acesteia. Creșterea este indisolubil legată de reproducere.

Reproducerea în bacterii– procesul de auto-reproducere a unei celule microbiene. Începe prin împărțirea ADN-ului nucleoid în două catene fiice, fiecare dintre acestea fiind apoi completată de o catenă complementară, în timp ce formarea a două celule fiice are loc simultan (metoda semi-conservativă). Bacteriile se înmulțesc diviziune transversală o creștere bruscă a numărului de celule din populație, procesul se repetă la intervale regulate (de la câteva minute până la câteva zile), fiind o caracteristică genetică individuală a speciei microbiene. În timpul diviziunii, se pot forma fie două celule identice, fie două celule asimetrice (polimorfe).

Bacteriile se caracterizează printr-o rată ridicată de reproducere pe diferite medii nutritive, care se caracterizează prin timpul de generare. Acesta este timpul dintre două diviziuni celulare, care trece de la momentul apariției celulei până la momentul divizării (de exemplu, timpul de generare a E. coli este de 20 de minute, agentul cauzal al tuberculozei este de 14 ore). Viteza de reproducere depinde de tipul de bacterii și de condițiile de cultivare (compoziția chimică a mediului nutritiv, starea de agregare a acestuia, pH, temperatură, aerare, compoziția gazelor, prezența nutrienților și stimulentelor de creștere etc.). Când bacteriile se înmulțesc pe medii nutritive solide, ele se formează colonii- descendenții unei celule, determinati vizual pe (sau în) un mediu nutritiv. Colonii izolate sunt grupuri de microbi din aceeași specie și, de regulă, din aceeași clonă.

Apariția coloniilor la unele bacterii poate fi foarte particular, fiind tipic pentru unele microorganisme. De exemplu, coloniile de agent cauzal al antraxului sunt comparate cu „coamă de leu” sau „cap de meduză”, coloniile de agent cauzal al ciumei sunt similare cu „eșarfa de dantelă”, etc.

Pentru a caracteriza coloniile care cresc pe medii nutritive, sunt utilizați o serie de parametri standard - macroscopic caracteristică .

După forma coloniei Există obișnuite - rotunde sau neregulate - ameboide și rizoide, care amintesc de rădăcinile copacilor împletite. În funcție de mărimea lor, coloniile se deosebesc ca punctiforme (diametrul mai mic de 1 mm), mici (diametrul I - 2 mm), mijlocii (diametrul 2 - 4 mm) și mari (diametrul 4 - 6 mm sau mai mult).

Culoare determinată de tipul de pigment (alb, galben, roșu etc. - Fig. 25 - anexă). Coloniile pigmentate, de exemplu, se găsesc la Staphylococcus (alb, galben lămâie sau auriu), la Sarcinus culoarea pigmentului este galbenă, la bacteriile din genul Serratia roșu, în ciuperci asemănătoare drojdiei Candida albicans alb. Multe bacterii patogene nu produc pigment; coloniile lor sunt transparente sau opalescente.

De consistenta Coloniile de bacterii sunt adesea moi, mucoase sau dense, sfărâmicioase. De caracterul regiunilor Există margini netede sub forma unei linii clar definite și margini neuniforme - festonate și ondulate. Suprafaţă Coloniile pot fi mate sau strălucitoare cu luciu, uscate sau umede, netede sau aspre. Coloniile netede sunt desemnate cu litera S (netede), coloniile aspre cu litera R (aspre).

La creșterea bacteriilor pe un mediu nutritiv lichid, se observă o schimbare secvențială a fazelor individuale în reproducerea populației bacteriene (Fig. 9):

1. Faza inițială (faza de întârziere). Reproducerea celulară nu are loc; microbii se adaptează la mediul nutritiv, cresc în dimensiune, acumulează enzime și începe replicarea ADN-ului. La sfârșitul fazei, începe proliferarea lentă a microbilor.

2. Faza exponentiala (faza logariteasca) caracterizat printr-o rată maximă de reproducere, numărul bacteriilor crescând exponențial.

3. Faza stationara,în care există un echilibru între numărul de celule nou formate și numărul de celule moarte.

4. Faza de moarte.În această fază, are loc moartea celulelor.

Cantitatea de biomasă este determinată de masa sa uscată, precum și de conținutul de azot bacterian, proteine, ADN și fosfor.

Celulele, ca orice organism viu, se nasc, trăiesc și mor. Creșterea și reproducerea bacteriilor are loc foarte rapid; acestea ar putea ocupa tot spațiul de viață de pe planetă dacă nu pentru fragilitatea lor și factorii limitativi (temperatură, nivel de aciditate, lipsă de hrană etc.). În condiții favorabile, dublarea celulelor durează în medie aproximativ o jumătate de oră. Cu toate acestea, în situații critice, unele tipuri de microorganisme (bacteriile formatoare de spori) sunt capabile să formeze spori și să „hiberneze” pentru o perioadă destul de lungă.

Proliferarea rapidă a bacteriilor are avantaje și dezavantaje. Utilizarea microorganismelor în biotehnologie (drojdie, acid lactic, organisme fixatoare de azot, mucegaiuri etc.) are ca scop îmbunătățirea calității vieții. Cu toate acestea, creșterea necontrolată a microbilor (patogeni) care cauzează boli este periculoasă pentru oameni. Microflora proprie a unei persoane poate dăuna, de asemenea, sănătății. În medicină, există conceptul de sindrom de creștere excesivă bacteriană, în care numărul de microbi oportuniști din corpul uman crește brusc, ceea ce reprezintă o amenințare pentru sănătate.

Unde începe totul

Creșterea și reproducerea celulelor sunt două procese diferite. Creșterea se referă la o creștere a masei celulare datorită formării tuturor structurilor celulare. Reproducerea este o creștere a numărului de celule dintr-o colonie. Există fisiune binară, înmugurire și recombinare genetică (un proces care amintește de reproducerea sexuală).

Majoritatea celulelor procariote (nenucleare), cărora le aparțin toate bacteriile, se reproduc prin împărțirea în două (fisiune binară). În acest fel, de exemplu, bacteriile de acid lactic se reproduc. Procesul începe cu dublarea cromozomului bacterian (o moleculă de ADN care înlocuiește nucleul) și continuă în mai multe etape:

• celula se alungește;
• carcasa exterioară „crește” spre interior și formează o despărțire transversală (constricție);
• două celule noi (fiice) se mișcă în direcții diferite.

Rezultatul sunt două organisme identice.

Microorganismele individuale se divid prin înmugurire, dar aceasta este mai degrabă o excepție de la regula generală. Procesul constă în formarea unei proeminențe scurte la unul dintre polii celulei, în care una dintre jumătățile nucleoidului divizat (molecule de ADN cu informații genetice) „derive”. Apoi, proeminența crește și se separă de celula mamă.

Există o altă opțiune care seamănă cu reproducerea sexuală - recombinarea genetică. În acest caz, se face schimb de informații genetice și rezultatul este o celulă care conține genele părinților săi. Există trei moduri de a transfera informații genetice:

• conjugare – transfer direct (nu schimb) al unei părți a ADN-ului la contactul de la o bacterie la alta (procesul are loc într-o singură direcție);
• transducție – transferul unui fragment de ADN folosind un bacteriofag (virus bacterian);
• transformare – absorbția informațiilor genetice ale celulelor moarte sau distruse din mediu.

Astfel, numai ca urmare a fisiunii binare și a înmuguririi se obțin celule identice între ele. În timpul recombinării genetice, celula suferă modificări, dezvoltând noi proprietăți și dobândind alte funcții.

Viteza și fazele de creștere ale microorganismelor

În mediile nutritive, creșterea și reproducerea bacteriilor are loc în mai multe etape, variind în cantitatea de hrană disponibilă și acumularea de deșeuri:

1. Prima fază (latentă) este determinată de factori de adaptare la mediul nutritiv. În acest moment, microorganismele tocmai se obișnuiesc cu noile condiții. Nu se observă creșterea bacteriană.
2. A doua fază (exponențială) se caracterizează prin creștere în progresie geometrică (creștere de-a lungul unei curbe exponențiale). În această perioadă, celulele bacteriene cresc activ, folosind toate alimentele disponibile (rata maximă de creștere). După ce a atins o anumită dimensiune, bacteria începe să se dividă, iar procesul de reproducere continuă cu o viteză constantă, deoarece există încă suficiente rezerve de hrană. Ca urmare a ritmului crescut de creștere și reproducere, în mediu se acumulează deșeuri (toxine). Spre sfârșitul fazei, rata de creștere începe să scadă.
3. A treia fază este caracterizată de creștere staționară, adică numărul de celule „nou-născute” coincide cu numărul de celule moarte. Curba de creștere și reproducere nu mai crește în acest segment. Rata de creștere încetinește. De ceva timp, numărul total de bacterii din mediul nutritiv rămâne neschimbat. Cu toate acestea, datorită apariției de noi „membri ai familiei”, rezervele de nutrienți scad și toxicitatea mediului crește. Acest proces înrăutățește condițiile de viață ale întregii colonii.
4. A patra fază - moartea microorganismelor - are loc ca urmare a scăderii catastrofale a alimentelor și a creșterii toxicității mediului. Numărul de organisme vii este în scădere constantă; în cele din urmă, există mai puține celule viabile decât omologii lor morți.

Viteza de creștere cinetică a unei colonii bacteriene depinde în mare măsură de tipul de bacterie, de compoziția mediului nutritiv, de numărul de celule însămânțate (introduse în mediu), de vârsta culturii, de metoda de respirație și de un număr de alti factori. De exemplu, pentru reproducerea bacteriilor lactice, este important să se mențină temperaturile într-un interval destul de îngust (25-30⁰C) și un anumit nivel de aciditate a mediului (pH). Pentru reproducerea celulelor aerobe și anaerobe, factorul decisiv este prezența sau absența oxigenului pentru respirație, iar celulele care formează spori au nevoie de o cantitate suficientă de hrană.

Condiții pentru creșterea microbilor în medii artificiale

Pentru studiu (medicină, microbiologie) și utilizare (industrie), culturile bacteriene sunt cultivate pe medii nutritive artificiale, care sunt împărțite în funcție de consistență, origine și scop:

• medii artificiale lichide, semi-lichide și dense (solide);
• medii de origine animală, vegetală sau sintetică (compuși chimic puri într-o concentrație strict definită);
• medii convenționale (universale), diferențiale (diferă după tipul de bacterii), medii speciale, selective sau de îmbogățire (suprimând creșterea microbilor nedoriți).

Există bacterii care necesită condiții speciale. De exemplu, microorganismele anaerobe (atât care formează spori, cât și care nu formează spori) sunt cultivate în condiții anaerobe (fără oxigen). Pentru celulele aerobe, oxigenul devine factorul decisiv pentru reproducere. Anaerobii facultativi sunt capabili să schimbe modul în care respiră în funcție de condiții. Organismele aerobe care formează spori utilizate pentru a produce probiotice sunt foarte sensibile la nutriția redusă și la calitatea acesteia. Anaerobii care formează spori necesită absența completă a oxigenului. Principiul de bază al cultivării microorganismelor este crearea unor condiții favorabile (nutriție, respirație, temperatură), care prezintă uneori anumite dificultăți.

Astfel, pentru creșterea anaerobilor se folosește metoda de însămânțare adâncă, adică se introduce o cultură bacteriană în adâncurile unui mediu nutritiv dens, se adaugă substanțe chimice care absorb oxigenul în atmosfera de creștere sau se pompează aerul, înlocuindu-l cu un gaz inert. În cazul bacteriilor care formează spori, în mediul nutritiv se adaugă un inhibitor al sintezei proteinelor, oprind astfel procesul de sporulare.

Cultivarea microorganismelor

Cultivarea se referă la creșterea artificială a celulelor în condiții controlate. Scopul final este obținerea unui produs biologic din bacterii sau cu ajutorul bacteriilor. Astfel de medicamente pot fi terapeutice, diagnostice sau profilactice. Există mai multe metode de cultivare:

1. Metoda staționară se caracterizează printr-un mediu constant; nu există interferențe în proces. Cu toate acestea, cu această metodă de cultivare în medii nutritive lichide, organismele anaerobe dau un randament nesemnificativ.
2. Metoda de cultivare în adâncime este utilizată în industrie pentru a crește biomasa bacteriană. În acest scop, se folosesc recipiente speciale. Factorii de creștere sunt menținerea temperaturii și furnizarea de nutrienți în mediile lichide. În plus, dacă este necesar, se efectuează agitarea sau alimentarea cu oxigen (pentru respirația bacteriilor aerobe).
3. Metoda mediilor în flux (cultivarea industrială) se bazează pe menținerea constantă a culturii în faza de creștere exponențială. Acest lucru se realizează prin introducerea continuă de nutrienți și eliminarea deșeurilor toxice din celule. Această tehnologie face posibilă obținerea unui randament maxim al diferitelor substanțe biologic active (antibiotice, vitamine etc.).

Unul dintre cele mai importante preparate industriale este cultura bacteriilor de acid lactic, care sunt folosite pentru prepararea starterului de lactate, varza murata, insilozarea furajelor si producerea unui substitut al plasma sanguina. Pentru a obține un rezultat final garantat, este necesar să se controleze cu strictețe calitatea rezultată a bacteriilor lactice.

Aveți nevoie de un mediu nutritiv adecvat și de un preparat cu o cultură pură de bacterii lactice crescute în condiții de laborator. În continuare, procesul de cultivare este lăsat până când apare a treia fază (echilibru), după care „recolta” bacteriilor lactice poate începe să fie recoltată.

Sindromul de creștere excesivă bacteriană

Creșterea celulelor bacteriene nu este întotdeauna benefică; o creștere excesivă a populațiilor bacteriene din corpul uman poate fi periculoasă pentru sănătate. Încălcarea compoziției calitative și cantitative a microflorei intestinale se numește sindrom clinic de creștere excesivă bacteriană. Medicii spun că utilizarea termenului „disbacterioză” pentru a descrie acest proces nu este în întregime corectă. Cert este că numărul de bacterii anaerobe benefice organismului (bifidobacterii) chiar scade, dar numărul de celule oportuniste (de exemplu, E. coli aerobă) crește.

Diferite bacterii trăiesc în diferite părți ale tractului gastrointestinal. În intestinul subțire, pe măsură ce progresezi, compoziția microflorei și numărul de microorganisme se schimbă treptat. Speciile de bacterii aerobe (care cresc în oxigen) trec treptat locul anaerobei (mediu fără oxigen). În sindromul clinic de creștere excesivă, spectrul bacterian se deplasează către organisme gram-negative (cele mai patogene), aerobe facultative și anaerobe.

Pe măsură ce te apropii de colon, numărul bacteriilor anaerobe (bifidobacterii și bacteroides) crește. Principalii reprezentanți ai microflorei anaerobe - bifidobacteriile - sunt responsabili de sinteza proteinelor, vitaminelor B, a diverșilor acizi și a altor substanțe necesare vieții. Microorganismele aerobe (Escherichia coli) produc o serie de vitamine și acizi care participă la digestie și susțin imunitatea.

Bacteriile lactice sunt un alt reprezentant al microflorei intestinale. Ele aparțin organismelor microaerofile, adică unul dintre factorii de creștere și reproducere ai bacteriilor lactice este oxigenul, dar în cantități foarte mici. Aceste microorganisme sunt responsabile pentru reglarea acidității tractului gastrointestinal, inhibând astfel creșterea bacteriilor putrefactive.

Fiecare tip de bacterie își îndeplinește funcția proprie, clar definită. În sindromul de creștere excesivă, microflora fecală care trăiește în mod normal în intestinul gros (E. coli sau celule anaerobe) pătrunde în intestinul subțire. Compoziția cantitativă și calitativă a microflorei bacteriene se modifică, îndeplinirea anumitor funcții încetinește sau devine imposibilă. Apar condiții pentru creșterea și reproducerea bacteriilor patogene.

Criteriile clinice ale bolii

Criteriile pentru dezvoltarea sindromului de supra-creștere bacteriană pot fi:

• indigestie, scăderea imunității, modificări ale acidității stomacului;
• încălcarea integrității tractului intestinal;
• consecințele intervenției chirurgicale;
• boli ale tractului gastro-intestinal;
• stres;
• utilizarea necontrolată a antibioticelor.

Manifestările clinice ale sindromului de supra-creștere bacteriană sunt ușor confundate cu alte boli; adesea se suprapun, deformând complet imaginea. Un diagnostic în astfel de cazuri poate fi pus doar cu ajutorul unor teste speciale care vizează identificarea sindromului de creștere excesivă, determinând nu numai numărul, ci și speciile de bacterii. Această abordare vă va permite să selectați medicamentele necesare pentru a corecta compoziția microflorei.

Simptomele clinice ale bolii:

• într-un stadiu incipient al bolii, apar diaree și flatulență;
• dureri de balonare și crampe;
• oboseală, slăbiciune;
• pierdere rapidă în greutate.

Medicamentele antibacteriene sunt utilizate pentru a trata sindromul de creștere excesivă. În viitor, vor fi necesare preparate probiotice și prebiotice pentru a restabili microflora.

O mare varietate de celule bacteriene (autotrofe și heterotrofe, aerobe și anaerobe, care formează și nu formează spori etc.) dictează anumite condiții pentru reproducerea lor. Principiul de bază al cultivării la scară industrială este controlul strict al condițiilor de mediu și al ritmului de creștere. În natură, rareori există medii ideale pentru dezvoltarea microorganismelor. Altfel, bacteriile ar fi umplut cu mult timp în urmă tot spațiul disponibil.