Wzrost Komórek Bakteryjnych - Notatki PDF

Wzrost komórki bakteryjnej  W porównaniu z innymi organizmami bakterie cechują się bardzo szybkimi wzrostem. W optymalnych warunkach hodowli laboratoryjnej bakterie np. *Escherichia coli* (pałeczka okrężnicy) podwaja swoją masę i dzieli się co kilkanaście, kilkadziesiąt minut. Szybkość wzrostu zale...

Wzrost komórki bakteryjnej  W porównaniu z innymi organizmami bakterie cechują się bardzo szybkimi wzrostem. W optymalnych warunkach hodowli laboratoryjnej bakterie np. *Escherichia coli* (pałeczka okrężnicy) podwaja swoją masę i dzieli się co kilkanaście, kilkadziesiąt minut. Szybkość wzrostu zależy przede wszystkim od warunków środowiska. W warunkach naturalnych szybkość wzrostu jest z reguły mniejsza niż w hodowli.  W okresie wzrostu synteza poszczególnych składników komórki nie zawsze przebiega równomiernie. Białka i RNA są zazwyczaj syntetyzowane równomiernie w ciągu całego wzrostu komórki. Podobnie rzecz się ma z syntezą DNA w szybko rosnących i dzielących się komórkach. W ubogich podłożach, przy zmniejszonej szybkości wzrostu, DNA replikowany jest tylko przez część okresu międzypodziałowego. Jednak nawet i w tych przypadkach synteza DNA zajmuje większą część wzrostu komórki. Odróżnia to bakterie od organizmów eukariotycznych, u których synteza DNA zajmuje tylko niewielką część okresu międzypodziałowego. W hodowli laboratoryjnej czas replikacji genomu *Escherichia coli* (pałeczka okrężnicy) wynosi 40 minut. Wynika z tego, że bakteria w okresie podziałowym może zreplikować tylko połowę chromosomu. Podział komórki co 20 minut, przy replikacji DNA trwającej 40 minut jest możliwy dzięki temu, że bakteria reguluje częstość inicjacji replikacji DNA. W szybko rosnących komórkach kolejna replikacja rozpoczyna się, gdy pierwsza dochodzi do połowy. Powstające po podziale dwie komórki potomne mają już w połowie zreplikowany DNA. Biosynteza ściany komórkowej bakterii polega na wstawieniu nowych łańcuchów mureiny pomiędzy stare. Przez cały okres życia komórki ściana komórkowa musi zachować ciągłość struktury dlatego, że wewnątrz komórki panuje dość duże ciśnienie, (około 20 atm. u bakterii gram-dodatnich). Przy podziale u bakterii gram-ujemnych stare ściany ulegają jakby rozepchaniu i oddzieleniu od siebie, a każda z potomnych komórek otrzymuje ścianę zbudowaną częściowo ze starych i częściowo z nowych elementów. U bakterii gram-dodatnich posiadających grubą warstwę mureiny zewnętrzne warstwy ulegają złuszczeniu, środkowe utrzymują ciągłość ściany, a wewnętrzne są budowane z nowych łańcuchów.   Podział komórki Podział komórki poprzedzony jest replikacją DNA, która rozpoczyna się w miejscu nazywanym początkiem replikacji (ang. *replication origin*) i posuwa się wzdłuż nici DNA. Rozdział potomnych nukleoidów nie jest w pełni wyjaśniony. W komórkach eukariotycznych wytworzył się specjalny mechanizm umożliwiający rozdział materiału genetycznego pomiędzy jądra potomne tzn. mitoza (kariokineza), u prokariontów takiego mechanizmu nie zauważono. Ponadto u bakterii brakuje charakterystycznych struktur dzielących komórki, takich jak wrzeciono podziałowe, centriole i centromery. Istnieje przypuszczenie, że rozdział nukleoidów związany jest z mechanizmem syntez ściany komórkowej, a mianowicie przyrastająca przez nowo syntetyzowane odcinki ściana komórkowa odsuwane od siebie potomne nukleoidy.    **Rys. 1** Hipotetyczna rola ściany komórkowej w podziale nukleoidu.   Po zreplikowaniu i rozdzieleniu się potomnych nukleoidów następuje proces wytworzenia przegrody nazywanej *septum*, w wyniku czego powstaje ściana komórkowa rozdzielająca komórki potomne.    Większość bakterii rozmnaża się przez podział. Tylko u nielicznych zaobserwowano oprócz podziału pączkowanie. Bakterie, u których występuje pączkowanie to: Hyphomicrobiales, Stella, Mettallogenium, Seliberia, Pasteurella. U bakterii zabudowanych z rozgałęziających się nitek - promieniowce np. Actinomycetes, rozmnażanie następuje przez fragmentację nitek, albo wytwarzanie konidiów.   Cykle rozwojowe  U organizmów eukariotycznych obserwujemy cykle rozwojowe polegające na przemianie fazy diploidalnej i haploidalnej przedzielonych podziałem redukcyjnym, tworzeniem gamet i powstaniem zygoty w procesie płciowym.  U organizmów prokariotycznych procesy płciowe przebiegają inaczej, a cykl rozwojowy w najprostszej postaci charakteryzuje przemiana: komórka wegetatywna - komórka spoczynkowa np. konidia, mikrocysty itp. Większość bakterii nie wytwarza specjalnych form spoczynkowych, a jedynie komórki o zmniejszonym tempie metabolizmu. Niektóre bakterie cechują się bardziej złożonymi cyklami rozwojowymi. U bakterii śluzowych *Myxobacteria* komórki wegetatywne wykazują tzw. zbiorczą ruchliwość - ich populacja tworzy jakby fale ruchu, następujące po sobie co około 20 minut. Powstają tzw. pierścienie wzrostu. W warunkach, w których brakuje pokarmu komórki zaczynają się zbierać w centrum. Ruch ten wywołany jest najprawdopodobniej wydaleniem przez bakterie substancji sygnałowych m.in. proteaz uwalniające peptydy i aminokwasów, kwasów tłuszczowych, a także substancji o właściwościach hormonów. Po upływie około 24 godzin tworzy się skupienie około 100 tyś. komórek, które wspinają się na siebie tworząc łodyżkę. Następnie kształtują się w ciało owoce, wewnątrz którego przekształcają się w formy spoczynkowe - mikrocysty.   Wzrost hodowli  Rosnące w pożywkach bakterie zawsze tworzą duże populacje wielu komórek nazywane hodowlami lub kulturami. W czasie wzrostu hodowli cechą, która najłatwiej jest zaobserwować jest zmiana liczby bakterii w czasie. Jeśli na osi X zaznaczymy czas, a na osi Y liczbę bakterii, to wzrost hodowli w skali normalnej będzie wyglądał jak na rysunku poniżej.   **Rys. 2** Krzywa wzrostu bakterii w skali normalnej.   W charakterystyce wzrostu hodowli zastosować możemy także skalę logarytmiczną, w której logarytm liczby bakterii jest proporcjonalny do czasu hodowli. Ten typ wzrostu nazywamy wzrostem logarytmicznym. Opierając się na przebiegu krzywej logarytmicznej wyróżnić możemy różne fazy wzrostu: \- fazę zastoju, \- fazę „młodości fizjologicznej", \- fazę równowagi, \- fazę zamierania. **Rys. 3** Logarytmiczna krzywa wzrostu bakterii. Faza zastoju występuje zaraz po rozpoczęciu hodowli, czyli wysianiu bakterii. Inaczej określana jest jako lag-faza. W trakcje jej trwania liczba bakterii nie wzrasta, a nawet może nieco zmaleć. Stanowi ona okres przygotowawczy, w którym bakterie adoptują się do nowego środowiska. Faza ta trwa dłużej, jeśli nowe środowisko hodowli w stosunku do poprzedniego jest uboższe w pokarm i im starsza jest hodowla, z której pochodzą bakterie. Przeniesione do uboższego środowiska komórki muszą wytworzyć enzymy, które będą syntetyzowały substancje dotąd pobierane z otoczenia. W fazie zastoju aktywność metaboliczna jest niewielka, a wzrost słaby, za to komórki wykazują znaczną odporność na szkodliwe czynniki środowiska.  Kolejna faza to faza \"młodości fizjologicznej\". Obserwowany jest w niej intensywny metabolizm i wzrost komórek, lecz bez podziałów, które mają miejsce dopiero pod koniec tej fazy. W tej fazie bakterie wykazują dość dużą wrażliwość na szkodliwe czynniki środowiska. Po fazie zastoju i \"młodości fizjologicznej\" ma miejsce faza logarytmiczna, będąca głównymi okresem wzrostu hodowli. Jej długość zależy od czynników środowiskowych. Brak pokarmu, nagromadzenie szkodliwych produktów przemiany materii, nieodpowiednie pH mogą ją skrócić. W fazie wzrostu logarytmicznego wielkość komórek, czas podwojenia ich liczby oraz częstość podziału utrzymuje się na stałym poziomie.  Po fazie logarytmicznej będącej okresem wzrostu bakterii następuje faza równowagi, w której liczba bakterii pozostaje bez zmian. W tej fazie obserwuje się zwolnione tempo podziałów i częściowe zamieranie komórek. Faza ta określana jest mianem równowagi, gdyż pomiędzy przyrostem liczby komórek a zamieraniem zachodzi równowaga, w wyniku czego liczba komórek pozostaje na stałym poziomie. Długość tej fazy jest zróżnicowana. Ostatnia faza jest fazą zamierania. Charakterystyczne dla tej fazy są rzadkie podziały lub ich brak oraz częste przypadki śmierci komórek, w konsekwencji hodowla staje się mniej liczna. W niekorzystnych warunkach środowiska zamieranie może zachodzić dość szybko, co określane jest jako faza śmierci logarytmicznej. Typy wzrostu  Poszczególne gatunki bakterii cechują się różnego typu wzrostem, dlatego właściwość ta może być wykorzystana w diagnostyce bakteriologicznej. Spośród różnych typów wzrostu bakterii w pożywkach płynnych wyróżniamy: \- dyfuzyjny wzrost w rozproszeniu, oddzielne komórki zawieszone są równomiernie w całej kolumnie płynu, ten typ wzrostu przejawia np. pałeczka okrężnicy,  \- w postaci osadu - komórki rosną na dnie podłoża, jest to typ wzrostu charakterystyczny dla bakterii, których komórki po podziale tworzą agregaty (nie rozchodzą się zupełnie) np. paciorkowce, \- w postaci kożuszka/ błonki - komórki rosną na powierzchni płynu, zwykle takim wzrostem charakteryzują się bakterie tlenowe, szczególnie te, które zawierają więcej substancji hydrofobowych w ścianie komórkowej np. postacie przetrwalnikowe Bacillus i prątki (Mycobacterium). **Rys. 4** Typy wzrostu bakterii a-wzrost w postaci kożuszka, b-wzrost w postaci osadu, c-wzrost w postaci zmętnienia (dyfuzyjny). W pożywkach stałych bakterie tworzą skupienia zwane koloniami. Sposób wzrostu kolonii zależy od gatunku bakterii i składu podłoża. Wyróżniamy: \- kolonie wgłębne - o kształcie soczewkowatym, \- kolonie powierzchniowe, wśród których wyróżniamy: - kolonie gładkie (S, ang. smooth), - kolonie szorstkie (R, ang. rough). Różnica między tymi koloniami wiąże się z odmienną budową powierzchniowych warstw komórki (brak kompleksów lipidowo-polisacharydowych LPS w błonie zewnętrznej komórek tworzących kolonie szorstkie). Bakterie tworzące kolonie szorstkie są często niechorobotwórcze, chociaż ich odmiany gładkie wywołują zakażenia.  Bakterie wytwarzające śluz tworzą kolonie mukoidalne (śluzowe). Ich komórki rosną w postaci rozpełzającej się po podłożu, cienkiej, jednokomórkowej warstwy. W momencie formowania ciał owocowych tworzą wznoszące się nad podłożem skupienia. Kolonie różnego gatunku bakterii mogą różnić się kolorem i tak: \- kolonie gronkowca są pomarańczowe np.  *Serratia marcescens*,  \- pałeczki cudownej - krwistoczerwone (jeśli wzrost jest w 30^o^C), \- Azotobacter - brązowo-czarne, \- Pseudomonas - wydziela do podłoża barwniki (zielonkawy, niebieski, fioletowy, czarny fluoryzujący). Bakterie, które są silne ruchliwe tworzą kolonie rozpędzające się po podłożu.  **Rys. 5** Różnego koloru kolonie bakteryjne (1- *Serratia marcescens*, 2 - Azotobacter, 3 i 4 -- Pseudomonas) Struktura kolonii Bakterie rosnące w postaci wznoszącej się nad pożywką mają różny dostęp do składników pokarmowych, ilości tlenu oraz stykają się z różnym stężeniem produktów przemiany materii. W konsekwencji kolonia bakteryjna nigdy nie tworzy jednorodnej struktury. Ponadto między komórkami odkłada się często duża ilości śluzu lub niekiedy barwników tworzących rodzaj substancji międzykomórkowej. Wzrost w warunkach naturalnych Jeśli bakterie znajdują się w naturalnym środowisku zwykle nie tworzą kolonii. Bardziej charakterystyczne jest tworzenie tzw. zooglei, czyli skupień komórek otoczonych śluzem. Większość bakterii zwłaszcza wodnych i glebowych wykazuje zdolność do tzw. tigmotaksji, czyli tendencji do przylegania do ciał stałych, a ogólnie mówiąc do adsorpcji na granicy dwóch faz ciało stałe-ciecz, ciecz-gaz. Bakterie absorbują się na ciałach stałych z tego względu, że znajdują na nich substancje pokarmowe. Bakterie te rosną w postaci błon biologicznych (biofilm). Biofilm wytwarzany jest przez komórki peryferyjne, przeczepione do powierzchni za pomocą fimbrii lub śluzu. Przykładem biofilmu jest płytka nazębna, którą tworzą m.in. paciorkowce wywołujący próchnice.