Crecimiento bacteriano: curva de crecimiento poblacional

Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional

1. Introducción al crecimiento: individual y poblacional
2. Crecimiento individual: el ciclo celular
3. Crecimiento d poblaciones:
3 C i i t de bl i
• Crecimiento exponencial o balanceado
• Crecimiento en cultivos cerrados: curva de crecimiento
• Cultivos continuos de microorganismos
C lti ti d i i

1


Objetivos del tema:
1. Diferenciar entre crecimiento celular y poblacional

2. Conocer el control del crecimiento celular

3. Definir tiempo de generación y crecimiento balanceado

4. Diferenciar las distintas fases del crecimiento en cultivos cerrados y las
causas que las provocan

5. Saber calcular el tiempo de generación de un cultivo en fase exponencial

6. Conocer el desarrollo de los cultivos continuos, tipos y aplicaciones

2


1. Introducción al crecimiento
Microorganismos Aumento del número de células

Organismos superiores Aumento de tamaño y complejidad

Crecimiento bacteriano: definición

↑ Constituyentes ↑ Masa celular División Multiplicación celular

Crecimiento individual o ciclo celular
Crecimiento poblacional

3


Mecanismos de división
1. Fisión binaria transversal: cada célula se divide en dos
Células en división: cuando una células se divide se forma un
tabique de pared celular que separa a las dos células hijas.
En la microfotografía se muestra la división de
Staphylococcus aureus, el tabique de pared ecuatorial divide
a la células en dos.

2. Gemación: crecimiento protuberante en un extremo que se agranda y se
separa
Microscopía electrónica de una bacteria gemante desarrollándose
de una yema. Observar la gran estructura en cráter sobre el polo
reproductivo de la célula madre. Se observan también fimbrias.
Es típico de levaduras y de algunas bacterias como Caulobacter

3. Crecimiento filamentoso: de Actinomicetos
Células se alargan para dar un filamento. Cuando el
microorganismo crece, se replica el núcleo en muchas copias a lo
largo del filamento lo que permite que existan genomas en las
filamento,
zonas de crecimiento del filamento y al final ocurre la
fragmentación de los filamentos y la separación. 4


2.
2 Crecimiento individual: ciclo celular
Etapas que transcurren desde la formación de una nueva célula y
la siguiente división

Tiempo de
generación (g)

5


Tiempos de generación de algunas bacterias bajo
condiciones de crecimiento óptimas

Tiempo de generación (g)
Bacteria Medio
minutos

Escherichia coli Glucosa y sales 17
Bacillus megaterium Sacarosa y sales 25
Streptococcus lactis
St t l ti Leche
L h 26
Streptococcus lactis Caldo lactosa 48
BHI:caldo cerebro-
Staphylococcus aureus
St h l 27-30
27 30
corazón
Lactobacillus acidophilus Leche 66-87
Rhizobium japonicum Extracto levadura manitol
levadura-manitol 344-461
344 461
Mycobacterium
Sintético 792-932
tuberculosis
Treponema pallidum Testículo de conejo 1980
6


Crecimiento celular por fisión binaria transversal:

Fases del ciclo celular

1. Crecimiento en tamaño y masa
g)

2. Replicación del cromosoma
2 R li ió d l
ración (g

3. Síntesis y segregación nuclear
• Elongación en la región
Tiempo de gener

ecuatorial
• Segregación de los dos
d

cromosomas
• Formación del septo
T

4. División

7


2.
2 Replicación del cromosoma

Ori C se duplica cuando comienza la replicación
8


3.
3 Síntesis y segregación
Elongación en la región ecuatorial → aumento de tamaño →

Segregación de los cromosomas → Formación del septo

9


Proteínas Fts de formación del septo
• ‘filamentous temperature sensitive proteins’
• Se encuentran en todos los procariotas (Bacteria y Archaea) y en orgánulos
ecuarióticos
• Constituyen el aparato de división o divisoma
• En bacterias bacilares el divisoma forma un anillo hacia el centro de la célula
• Esta región marca el plano de división

Imagen del anillo contráctil
(fluorescencia in situ)
10


Proteínas Ft y el plano de división celular
P t í Fts l l d di i ió l l

• Algunas proteínas (E.coli):
– FtsZ: al polimerizar forma el anillo
y atrae a otras proteínas FtsA:
ATP hidrolizantes
ATP-hidrolizantes
– Zip A: une el anillo FtsZ a la
membrana
– Fts I: de síntesis del glucopétido
PBPs
• Las proteínas interaccionan para
sintetizar nuevas cubiertas: MC,
PC y otras
• Forman el septo
• Originan dos nuevas células hijas

11


12


Proteínas Fts y el plano de división celular

Cel.

nucleoide

Anillo FtsZ

Aparición y desaparición del anillo durante el ciclo celular:
• Fila superior: microscopía de contraste de fases
• Fila 2ª tinción para el nucleoide
• Fila 3ª y 4ª tinción para la proteína Fts Z (rojo) y nucleoide (azul)
Columna 1: anillo Fts aun sin formar
Columna 2: aparición del anillo FtsZ cuando el nucleoide inicia la segregación
Columa 3: Anillo FtsZ completo durante la elongación
13
Columna 4: Degradación del anillo y división celular


Control del ciclo celular
1.Una fase del ciclo no comienza hasta que la anterior no haya terminado.

2.Debe existir una determinada masa crítica celular para desencadenar el
inicio de la replicación del cromosoma y con ello también la división.

Mi = Masa de iniciación
M= Masa celular
Mi = 2 M

Cuando se alcanza esta masa crítica se disparan dos
eventos

Replicación DNA Formación septo 14


Control del ciclo celular de E.coli

Se alcanza Inicio del Proteínas de
la longitud proceso de división y FtsZ
división precursores del
tabique

Tabicación → División

Se alcanza Inicio de la Replicación y segregación del ADN Copias
la masa de replicación separadas
iniciación del ADN del ADN

0 20 40 60

Tiempo (min)

Esquema de las dos secuencias independientes de acontecimientos en el ciclo
celular que actuando en paralelo controlan la división celular

Hay 3 procesos independientes:
Replicación del cromosoma elongación celular y formación del septo
cromosoma,
controlados por el aumento de la masa celular 15


Crecimiento de poblaciones:
• Crecimiento exponencial balanceado

g

g
g
g

g g
g

El incremento en masa, número de células o cualquier constituyente por unidad
16
de tiempo es constante


Crecimiento de poblaciones: crecimiento exponencial
o crecimiento balanceado
Ejemplo de crecimiento exponencial
Tiempo Nº de
2n N Log N
(min) divisiones
0 0 20 1 0.0
20 1 21 2 0.301
40 2 22 4 0.602
60 3 23 8 0.903
80 4 24 16 1.204
100 5 25 32 1.505
120 6 26 64 1.806
El cultivo comienza con una célula con un tiempo de
generación de 20 minutos

El incremento en nº de células será exponencial o logarítmico igual a 2n
N=N0 2n

Crecimiento exponencial: representación gráfica 17


Crecimiento exponencial: expresión matemática
La velocidad de crecimiento: µ= constante de crecimiento instantáneo o
de velocidad de crecimiento.
∆N/N.t= µ COEFICIENTE EXPONENCIAL DE
CRECIMIENTO

dN/dt= µ N ; dN/N= µ dt N t
∫N dN/N= µ ∫t o
dt
Ln N- ln N0 = µ (t-t0)
o

Ln N/N0 = µ (t-t0) (Ecuación 1).

µ (t t0)
(t-t
N=N0 e
Ln N
µ

El incremento en el número de
Ln N0 células es función exponencial del
tiempo
Tiempo


Cálculo del tiempo de generación: g
Tras n generaciones: N=N0 2n N/N0 = 2n
El número de generaciones en (t-t0) n = (t-t0)/ g
N/N0 = 2(t-t0)/ g
(t t

Ln N/N0 = Ln2.(t-t0)/ g Sustituimos en la ecuación 1:
Ln N/N0 = µ (t-t0)

µ (t-t0)= Ln2.(t-t0)/ g µ =Ln2/ g

µ =0.693/g µ= µ max
g =0.693/ µ

µ nos indica la velocidad de crecimiento y es
inversamente proporcional al tiempo de generación g
19


Cálculo del tiempo de generación (g) en poblaciones en crecimiento
exponencial.
élulas/ml

Células/ml
Cé

Tiempo (h)

Tiempo (h)

n = (t-t0)/ g

20


Ejemplo:
¿Cual es el tiempo de generación de una población bacteriana que
incrementa de 10.000 a 10.000.000 células en 4 horas?

N= N0 2n N/ N0 = 2n Log N/ N0 = n log2 Log N/ N0/log2 = n

Log 107/ 104/log2 = n

Log 103 /log 2 = n g= (t-t0)/ n
Log nº células

g = 240 min. log 2/ log 103

g = 240 min. 0.3/ 3

g = 24 minutos
Tiempo (h)
e po ( )
21


Vamos a considerar:
Que una célula bacteriana con un tiempo de generación
de 20 minutos crece exponencialmente.
Que el peso de una célula es de: ~9.5 x 10-13 g
Tras 48 horas la población bacteriana
p
2 144 BACTERIAS

Tras 48 horas la población bacteriana debería pesar 4000
veces el peso de la tierra
Porqué no ocurre esto?
El crecimiento está limitado por la falta de nutrientes
esenciales o por la producción de productos residuales
tóxicos
Es decir el crecimiento del cultivo entra en una
Fase estacionaria 22


Ciclo de crecimiento de poblaciones en cultivos cerrados:
curva de crecimiento

Curva de crecimiento en cultivos cerrados
•Lag: fase de latencia
L f d l t i •Fase estacionaria
F t i i
•Log: Fase exponencial o logarítmica •Fase de muerte celular
de crecimiento balanceado

La duración de cada fase y la tasa de crecimiento bacteriano en la fase exponencial dependen23 la
de
especie y de las condiciones del medio.


Fase Lag: Fase estacionaria:
• Cuando el inoculo proviene de cultivo • Limitación en nutrientes y acumulación de
estacionario,
estacionario dañado por calor químicos o productos tóxicos que inhiben el
radiaciones crecimiento
• Cuando el inoculo se transfiere de un medio • Se igualan el nº de células que crecen con
rico a otro mas pobre: Las células se ajustan, el que mueren
q
se alargan y sintetizan proteínas críticas y
l i t ti t í íti
metabolitos
Fase de muerte:
Fase Log:
• Crecimiento exponencial • Una mayoría de células comienzan a
morir exponencialmente por la
• Hay nutrientes adecuados
carencia de nutrientes 24
• El ambiente es favorable


Crecimiento diauxico: efecto glucosa.

Crecimiento
sobre lactosa

Agotamiento de la
glucosa
Enzimas inducibles

Crecimiento
sobre glucosa

Enzimas constitutivas

25


Cultivos continuos
C lti ti
Nº células/ml d cultivo = constante
él l / l de lti t t
Aporte constante de nutrientes y una salida de productos de desecho

Control sobre el número de células y la velocidad de crecimiento

Sistemas de cultivo continuo
Turbidostato: Se ajusta la densidad celular a una turbidez
constante. No es posible variar la velocidad de
crecimiento
Quimiostato: Se controla independientemente la velocidad de
crecimiento y la densidad celular, por la velocidad de
entrada de medio y la concentración limitante de un
nutriente esencial.
26


Cultivo continuo de microorganismos: quimiostato
Coeficiente de dilución : D = f/v en h-1
Factor de dilución
Reservorio de medio fresco Pérdida por drenaje: -dx/dt = x . D
Incremento por crecimiento: dx/dt = x . µ
Válvula de control del flujo
Crecimiento = x . µ - x . D = x(µ-D)
SR
f en ml/h En equilibrio µ = D ; dx/dt = 0
Cámara de cultivo X es constante
V: volumen de medio
de lti
d cultivo en el reactor
l t V en ml EQUILIBIO DINÁMICO

X: masa celular
x
creciendo en el reactor Receptor del efluente
rebosado

Esquema de un quimiostato. Trabaja en las condiciones de restricción del crecimiento
q q j
por la limitación de un nutriente y separación de células y de sustancias de desecho
27


Quimiostato: Tasa de dilución

Densidad celular o biomasa

arámetro medido
o
Tiempo de generación ↓
o

Velocidad de crecimiento ↑
Pa

Concentración de
nutriente

Velocidad de dilución

Modificando la entrada de nutrientes y la velocidad de salida de medio se
consiguen una variedad de poblaciones creciendo a distintas velocidades de
28
crecimiento


Los quimiostatos: un horror de tubos y
sondas

29


Objetivos del tema:
1. Diferenciar entre crecimiento celular y poblacional

2. Conocer el control del crecimiento celular

3. Definir tiempo de generación y crecimiento balanceado

4. Diferenciar las distintas fases del crecimiento en cultivos cerrados y las
causas que las provocan

5. Saber calcular el tiempo de generación de un cultivo en fase exponencial

6. Conocer el desarrollo de los cultivos continuos, tipos y aplicaciones

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BIBLIOGRAFÍA

1. LIBROS DE TEXTO:

• Crecimiento celular y fisión binaria. Creceimiento microbiano. Brock Biología de los
microorganismos (10ª Edición). Pearson Prentice Hall. (2003).

• Crecimiento de poblaciones. Curva de crecimiento. Brock Biología de los
microorganismos (10ª Edición). Pearson Prentice Hall. (2003).

• Crecimiento microbiano. Microbiología (5 Edición) Prescott Harley y Klein Mc
microbiano (5ª Edición). Prescott, Klein.
Graw-Hill (2004).

2. Páginas Web:

http://genesis.uag.mx/cytec/material/culcon/culcon.swf

http://coli.usal.es/web/educativo/micro2/tema07.html#anchor601616
http //coli sal es/ eb/ed cati o/micro2/tema07 html#anchor601616

http://www.unavarra.es/genmic/micind-2-3.htm

31

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