Bakterien: Wachstum und Zellzyklus von Bakterien
Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über das Wachstum und den Zellzyklus eines Bakteriums zu erfahren!
Wachstum von Bakterien:
Wenn eine Prokaryontenzelle in (auf oder in) Medium geimpft wird, das alle für das Wachstum wesentlichen Bestandteile enthält, sammelt die Zelle: Nährstoffe an; neue Zellbestandteile synthetisieren; an Größe zunehmen; replizieren sein genetisches Material; neue Zellwand hinlegen; und schließlich in zwei teilen.
Folglich wird eine Zelle zu zwei, und nach einer weiteren Zeitspanne teilen sich diese in vier. Diese Art der Zellteilung wird als binäre Spaltung bezeichnet, und diese Art der Verdoppelung des Wachstums wird als exponentielles Wachstum bezeichnet.
Eine wachsende Population von Prokaryoten verdoppelt sich in dieser Zeit während einer bestimmten Zeit, die als Generierungs- oder Verdopplungszeit bezeichnet wird.
Erzeugungszeit (g) = Zeit (t) / Anzahl der Generationen (n)
Die Anzahl der Generationen kann mit der Formel n = 3, 3 (log N - log N 0 ) berechnet werden, wenn die ursprüngliche (N 0 ) und die endgültige Anzahl (N) der Zellen bekannt ist.
Die Rate, mit der eine Bevölkerung wächst (Anzahl der Generationen pro Zeiteinheit), wird als Mittelwert oder als konstante Wachstumsrate ausgedrückt, und dies wird unter Verwendung der folgenden Gleichung gemessen:
Mittlere Wachstumsrate (µ) = 0, 69 / g
Aus dieser Formel ist ersichtlich, dass mit zunehmender spezifischer Wachstumsrate die Erzeugungszeit abnimmt.
Die Geschwindigkeit, mit der Bakterien wachsen und sich teilen, hängt von der Art der Mikrobe, den Bestandteilen des Mediums, in dem sie wächst, und den Umgebungsbedingungen ab. Zum Beispiel kann E. coli, wenn es in einem reichen Medium mit viel Belüftung bei 37 ° C gezüchtet wird, sich alle 20 Minuten teilen.
Diese Zellteilungsrate nimmt ab, wenn die Prokaryoten in einem Minimalmedium angeordnet werden, wo sie zur Synthese essentieller makromolekularer Vorläufer wie Aminosäuren und Basen benötigt werden. Im Gegensatz dazu hat Mycobacterium tuberculosis eine maximale Verdopplungszeit von etwa 18 Stunden und dauert beispielsweise viel länger als E. coli, um Kolonien auf einer Agarplatte zu bilden.
Bakterienzellzyklus:
Die Folge von Ereignissen, die sich von der Bildung einer neuen Zelle bis zur nächsten Abteilung erstreckt, wird als Zellzyklus bezeichnet. In diesem Zyklus wird eine E. coli-Zelle mit einer geringen Änderung des Durchmessers länger, bis sie eine kritische Größe erreicht, zweimal die Einheitszelllänge.
Die Zellteilung wird initiiert: Ein kontraktiler Ring wird in der Mitte der Zelle gebildet, Septationsproteine synthetisieren eine neue Zellwand und zwei neue Zellen werden gebildet, von denen jede mindestens eine Kopie der bakteriellen DNA enthält. Folglich muss während dieser Zeit eine Kopie des Chromosoms synthetisiert werden, und die beiden Chromosomen werden in die beiden Nachkommenszellen getrennt.
Die DNA-Replikation findet während der C-Phase (Chromosomen-Replikation) statt und die Chromosomen-Segregation erfolgt in der G-Phase (Lücke), die eine variable Länge haben kann. Der Mechanismus, durch den Chromosomen abgesondert werden, ist noch unklar. Schließlich wird eine Querwand (Septum) zwischen den beiden Chromosomen angeordnet und die Zelle teilt sich in zwei (D-Phase). Zellteilung und DNA-Replikation müssen koordiniert werden.
Die Initiierung der DNA-Replikation am Ursprung (oriC), einer kurzen Sequenz von Adenin und Thymin, hängt davon ab, dass die Zelle eine kritische Masse erreicht (Initiierungsmasse) und erfordert eine Reihe von Proteininitiierungsfaktoren.
DNA-Segregation und -Teilung werden jedoch durch die Länge der Zelle gesteuert, die eine bestimmte Schwellenlänge erreichen muss, bevor die Chromosomen aufgeteilt werden und die Zellteilung initiiert wird. Eine Vielzahl von Zellular- und Umweltfaktoren steuern den Prozess.
Schnelles Wachstum:
Bei günstigen Wachstumsbedingungen können E. coli mit einer Erzeugungszeit von ca. 20 min wachsen. Die Zeit, die benötigt wird, um eine vollständige Kopie des E. coli-Chromosoms zu synthetisieren, beträgt jedoch unter optimalen Bedingungen 40 Minuten. Die Segregation der DNA und die Teilung dauert weitere 20 Minuten.
Der kürzeste Zellzyklus und damit die Generierungszeit für E. coli sollte daher 60 Minuten betragen. Dies ist offensichtlich nicht der Fall. Damit sich die Zellen schneller als alle 60 Minuten teilen, muss die DNA-Replikation in einem Zyklus beginnen und in einem anderen enden
Wenn die Zellen schnell wachsen (Erzeugungszeit <60 min), erfolgt der Beginn der Replikation wie üblich, wobei zwei Replikationsgabeln erzeugt werden, die sich bidirektional um das Chromosom herum zum Endpunkt bewegen.
Die Ursprünge dieser neuen Stränge initiieren dann jedoch weitere Replikationsrunden, bevor die vorherige DNA-Replikationsrunde abgeschlossen ist. Wenn also eine Zellteilung auftritt, repliziert sich die DNA in den Tochterzellen bereits. Je schneller die Zellwachstumsrate ist, desto mehr Replikationsgabeln werden gebildet, so dass die DNA in neuen Zellen möglicherweise mehrere Replikationsgabeln aufweist.
Wachstum in der Batch-Kultur:
Der beste Weg, um eine große Anzahl von Mikroben zu erzeugen, besteht darin, sie in einem flüssigen Medium zu züchten. Die verwendete Technik wird als Batch-Kultur bezeichnet, bei der die Zellen in Kolben eines geeigneten Mediums beimpft werden und bei einer geeigneten Temperatur und Belüftungsgrad gezüchtet werden. Auf diese Weise gezüchtete Prokaryoten zeigen ein bestimmtes Wachstumsmuster, das als bakterielle Wachstumskurve bezeichnet wird.
Die Anzahl lebensfähiger Bakterienzellen wird über die Zeit gemessen und als ein Diagramm der log 10 lebenden Zellzahlen über der Zeit aufgetragen. Dies wird als semi-logarithmisches Diagramm bezeichnet. Eine logarithmische Skala wird verwendet, um das Wachstum von Prokaryoten aufgrund der großen Anzahl produzierter Zellen abzubilden und die exponentielle Natur des mikrobiellen Wachstums aufzuzeigen.
Wenn eine arithmetische Skala verwendet wird, um die Zunahme der Anzahl von Zellen darzustellen, würde sich eine Kurve mit zunehmendem Gradienten ergeben. Diese wird bei Verwendung einer logarithmischen Skala in eine gerade Linie umgewandelt. Die Generierungszeit für den Prokaryoten kann direkt aus der Grafik abgelesen werden. Die Prokaryont-Wachstumskurve zeigt vier Wachstumsphasen.
ich. Verzögerungsphase:
Wenn Bakterien zum ersten Mal in ein Medium geimpft werden, gibt es eine Periode, in der kein Wachstum auftritt. Während dieser Phase passen sich die Zellen an die neue Umgebung an, synthetisieren je nach Bedarf neue Enzyme und erhöhen die Zellgröße für die Zellteilung.
Die Länge dieser Zeit hängt von der Art des Inokulums ab. Wenn dies aus einer frischen Kultur in demselben Medium stammt, ist die Verzögerungsphase kurz, aber wenn das Inokulum alt ist oder das Medium gewechselt wurde (insbesondere wenn Bakterien von einem reichen Medium zu einem schlechten Medium bewegt werden), wird die Verzögerungsphase länger sein .
ii. Exponentielle (logarithmische) Phase:
Sobald sich die Prokaryoten zu teilen beginnen, steigen die Zahlen mit einer konstanten Rate, was die Generierungszeit (Verdopplungszeit) des Prokaryonts widerspiegelt. Dies wird in diesem Teil des Diagramms als gerade Linie gesehen.
iii. Stationäre Phase:
Mit zunehmender Anzahl der Prokaryoten verbrauchen sie alle verfügbaren Nährstoffe und akkumulieren Wachstumsinhibitoren. Irgendwann wird ein Punkt erreicht, an dem es keine Nettozunahme gibt, was als Abflachung der Wachstumskurve angesehen wird. Während dieses Gleichgewichtszustands funktionieren die Zellen noch. Es gibt einen Zelltod, der durch kleine Mengen kontrollierter Zellteilung ausgeglichen wird.
iv. Todesphase:
Nach einiger Zeit wird die Zelltodrate größer als die Zellteilung und die Anzahl der lebenden Zellen sinkt. Zellen lysieren und die Kultur wird weniger trüb.
Lock et al. (1965) hat unterschiedliche Terminologie für diese Wachstumsstadien vorgeschlagen. Sie verwendeten "Tropophase" für die Log-Phase und "Idiophase" für die stationäre Phase der Batch-Kultur. Diese typische Wachstumskurve wird als "sigmoidale Wachstumskurve" bezeichnet.
