В чем заключается особенность роста и размножения бактериальных клеток. Рост и размножение бактерий. Фазы размножения популяций бактерий в живой питательной среде в стационарных условиях Фазы размножения бактерий в жидкой питательной среде

Рост бактерий – это увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции. Рост клетки не беспределен. После достижения критических размеров клетка подвергается делению.

Размножение бактерий – процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции. Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения.

Рост всегда предшествует размножению. Бактерии размножаются поперечным бинарным делением, при котором из одной материнской клетки образуются две одинаковые дочерние. У большинства грамположительных бактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущей от периферии к центру. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки.

Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. Репликация начинается в одной избранной области, называемой origin (начало), имеющей определенную последовательность нуклеотидов. Здесь может возникать одна или две репликативные вилки. В процессе репликации участвуют более 20 ферментов. Так как бактериальная ДНК двуспиральная, перед репликацией она должна быть разделена. В этом процессе участвуют ферменты хеликаза, которая расплетает двойную спираль и топоизомераза, которая предотвращает образование вторичных завитков. SSB-белок связывается с одноцепочечной ДНК, предотвращая повторное скручивание в двойную спираль. В результате образуется репликативная вилка. Синтез новых цепей ДНК осуществляется ферментом ДНК-полимиразой. Для осуществления реакции полимеризации нуклеотидов на матрице родительской цепи, полимеразе требуется затравка – праймер. Праймер представляет собой короткую нуклеотидную цепочку РНК, комплементарную матричной цепи, со свободным 3 / - концом. После того как цепь ДНК начала синтезироваться, РНК-затравка удаляется. Так как цепи ДНК в дуплексе антипарралельны, то направление расплетания двойной цепи совпадает лишь с направлением синтеза ДНК на одной матрице, которая называется ведущей. На комплементарной цепи ДНК синтезируется короткими фрагментами, которые впоследствии сшиваются в одну цепь ДНК-лигазами. Процесс репликации ДНК бактерии продолжается до тех пор, пока не удвоится вся ДНК.

При внесении бактерий в питательную они растут и размножаются до тех пор, пока содержание какого-нибудь из необходимых компонентов среды не достигнет минимума, после чего рост и размножение прекращаются. Если не прибавлять питательных веществ и не удалять конечных продуктов обмена, то получаем статистическую бактериальную культуру.

Фазы размножения бактерий:

1. Начальная (лаг-фаза) охватывает промежуток времени от момента посева бактерий до начала их роста. Ее продолжительность составляет в среднем 2-5 часов и зависит от состава питательной среды.

2. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза. Характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток. Эта скорость зависит от вида бактерий и питательной среды. Время удвоения клеток называется временем генерации. Это время варьирует от нескольких минут до нескольких часов.

3. Стационарная фаза наступает когда число клеток перестает увеличиваться. При уменьшении в питательной среде концентрации питательных веществ, снижении парциального давления кислорода, накоплении токсических продуктов обмена, уменьшается скорость роста бактерий. Продолжительность стационарной фазы составляет несколько часов и зависит от вида бактерий.

4. Фаза отмирания наступает вследствие накопления кислых продуктов обмена или в результате автолиза под влиянием собственных ферментов. Продолжительность этой фазы колеблется от десятка часов до нескольких недель.

Интенсивно протекающие в клетке процессы анаболизма и катаболизма приводят к быстрому росту клетки.

Рост бактерий - это упорядоченное увеличение количества и размеров всех компонентов клетки при условии наличия всех необходимых химических элементов, что приводит к увеличению ее массы. Питательные субстраты должны содержать эти элементы в метаболически доступной форме. Рост клетки не беспреде­лен. После достижения критических размеров клетка подвергается делению или размножению.

Большинство бактерий делится поперечным бинарным делением или цитокинезом. У большинства грамположительных бак­терий деление происходит путем синтеза попе­речной перегородки, идущей от периферии к центру. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки. Процесс деления повторяется через приблизительно равные промежутки времени (от нескольких минут до нескольких суток), что является индивидуальной генетической характеристикой микробного вида. В результате размножения резко увеличивается количество клеток в популяции.

Размножение или репродукция у бактерий - это разделение суперспирализованной ДНК нуклеоида на две дочерние нити, каждая из которых далее достраивается комплементарной нитью и одновременно происходит образование двух дочерних клеток (полуконсервативный способ).

Размножение характеризуется временем генерации (интервал времени, за который число клеток удваи­вается) и таким понятием, как концентрация бактерий (число клеток в 1 мл).

При внесении бактерий в питательную сре­ду они растут и размножаются до тех пор, пока содержание какого-нибудь из необхо­димых компонентов среды не достигнет ми­нимума, после чего рост и размножение пре­кращаются. Если на протяжении всего этого времени не прибавлять питательных веществ и не удалять конечных продуктов обмена, то получаем статическую бактериальную куль­туру. Статическая (периодическая) культура бактерий ведет себя как многоклеточный ор­ганизм, с генетическим ограничением роста. Если построить график, по оси абсцисс кото­рого отложить время, а по оси ординат - чис­ло клеток, то получим кривую, описывающую зависимость числа образующихся клеток от времени размножения, которая называется кривой роста.

Кривая роста бактерий в питательной среде. На этой кривой можно различить не­сколько фаз, сменяющих друг друга в опреде­ленной последовательности (рис. 11):

1. Начальная - лаг-фаза (англ. lag - отставать). Охватывает промежуток времени между посевом бактерий и на­чалом размножения. Ее продолжительность составляет в среднем 2-5 ч и зависит от со­става питательной среды, от возраста засевае­мой культуры. Во время лаг-фазы происходит адаптация бактериальных клеток к новым условиям культивирования, идет синтез индуцибельных ферментов.

2. Экспоненциальная (логарифмичес­кая) фаза. Характеризуется постоянной мак­симальной скоростью деления клеток, фаза геометрического роста с резким ростом численности популяции микроорганизмов (2 в степеии n). Скорость размножения зависит от вида бактерий и пита­тельной среды. Время удвоения клеток называется временем генерации, которое варьирует от вида бактериальной культуры: у бакте­рий рода Pseudomonas оно равняется 14 мин, а у Mycobacterium 18 - 24 ч. Величина клеток и содержание белка в них во время экспо­ненциальной фазы остаются постоянными. Бактериальная культура в этой фазе состоит из стандартных клеток.

Рис. 11. Фазы размножения бактерий

3. Стационарная фаза (фаза равновесия размножения и гибели микробных клеток). Наступает тогда, когда число клеток перестает увеличиваться. Так как скорость роста зависит от концентра­ции питательных веществ, то при уменьше­нии содержания последних в питательной сре­де уменьшается и скорость роста. Снижение скорости роста происходит также из-за боль­шой плотности бактериальных клеток, сни­жения парциального давления кислорода, накопления токсических продуктов обмена. Продолжительность стационарной фазы со­ставляет несколько часов и зависит от вида бактерий и особенностей их культивирования.

4. Фаза отмирания или гибели - уменьшение численности популяции в связи с уменьшением и отсутствием условий для размножения микроорганизмов. Наступает вследствие накопления кислых продуктов обмена или в результате аутолиза под влиянием собствен­ных ферментов. Продолжительность этой фа­зы колеблется от десятка часов до нескольких недель.

Данная динамика характерна для периодических культур с постепенным истощением запаса питательных веществ и накоплением метаболитов. Постоянное нахождение бактериальной популяции в логарифмической фазе роста наблюдается в непрерывной культуре, что до­стигается постепенным дозированием пос­тупления питательных веществ, контролем плотности бактериальной суспензии и удале­нием метаболитов. Такой процесс выращивания микроорганизмов называется проточным культивированием (непрерывная культура). Рост в непрерывной культуре позволяет получать большие массы бактерий при проточном культивировании в специаль­ных устройствах (хемостатах и турбидистатах) и используется при производстве вакцин, а также в биотехнологии для полу­чения различных биологически активных веществ, продуци­руемых микроорганизмами.

Общие положения

Определение 1

Размножение – процесс воспроизведения себе подобных организмов, ведущий к увеличению бактериальных клеток в популяции.

Для бактерий характерны следующие виды размножения:

• бинарное деление на две части - деление происходит симметрично относительно поперечной и продольной оси, образуются одинаковые дочерние клетки
• почкование - вариант бинарного деления, образующаяся на одном из полюсов почка растет до размеров материнской клетки и отделяется; симметрия присутствует только относительно продольной оси
• множественное деление - клетка претерпевает ряд последовательных быстрых бинарных делений внутри фибриллярного слоя материнской клетки, что приводит к образованию баеоцитов – мелких клеток, количество которых колеблется от 4 до 1000, в результате разрыва клеточной стенки материнского организма баеоциты выходят наружу;
• размножение спорами ;
• путем фрагментации клеток , имеющих нитевидную форму;
• конъюгация (половой процесс, обмен клетками генетическим материалом);
• трансформация (перенос «голой» ДНК);
• трансдукция (перенос генетической информации при помощи бактериофагов).

Репликация бактериальной хромосомной ДНК

Репликация хромосомы в бактериальной клетке происходит по полуконсервативному типу, что приводит к удвоению ДНК нуклеоида – бактериального ядра. При этом типе репликации двухспиральная молекула ДНК раскрывается, а каждая отдельная нить ДНК достраивается комплементарной нитью.

Процесс репликации ДНК происходит от начальной точки ori и катализируется ДНК-полимеразами. В области ori хромосома клетки бактерии связана с цитоплазматической мембраной. В первую очередь происходит деспирализация (раскручивание) двойной цепи ДНК. Образуется репликативная вилка, представленная двумя разветвленными цепями. Одна цепь, достраиваясь связывает нуклеотиды от 5 - к 3 -концу, а у второй достраивание происходит посегментно.

Репликация ДНК включает следующие этапы:

• инициация;
• элонгация (рост цепи);
• терминация.

В результате репликации образуются две хромосомы, которые прикрепляются к цитоплазматической мембране или ее производным, и удаляются друг от друга мере увеличения клетки. После образования перегородки ил перетяжки деления происходит окончательное разъединение хромосом. Перегородки деления разрушают аутолитические ферменты.

Размножение бактерий в жидкой питательной среде

Замечание 1

Если бактерии засеяны в определенный объем питательной среды, то размножаясь и потребляя питательные вещества, они ведут к истощению этой среды, что, в свою очередь, приводит к прекращению роста микроорганизмов.

Культивирование микроорганизмов в такой системе является периодическим культивированием, а культуру бактерий называют непрерывной культурой.

Рост культуры на жидкой питательной среде может быть:

• придонным:
• диффузным;
• поверхностным.

Рост периодической культуры можно разделить на несколько фаз. Эти фазы можно показать в виде отрезков кривой размножения микроорганизмов (рисунок 1).

• Лаг-фаза. Период между посевом бактерий и началом процесса размножения. Длится $4-5$часов.Микроорганизмы увеличиваются в объеме и готовятся к делению. Увеличивается количество белка, нуклеиновых кислот и других соединений.
• Фаза логарифмического роста . Период интенсивного деления клеток. Продолжительность $5-6$ часов. Клетки бактерий наиболее чувствительны.
• Фаза стационарного роста (максимальной концентрации бактерий). Количество жизнеспособный клеток постоянно, наблюдается М-концентрация (максимальная концентрация). Продолжительность фазы зависит от вида и особенностей бактерий, культивирования.
• Фаза гибели бактерий . В условиях истощения питательной среды, а также накопления продуктов метаболизма происходит отмирание бактерий.

Продолжительность от $10$ часов до нескольких недель.

Размножение бактерий на плотной питательной среде

При росте на плотных питательных средах бактерии формируют изолированные колонии с ровными или неровными краями округлой формы, разного цвета и консистенции. Цвет питательной среды зависит от пигмента бактерии. Среди микроорганизмов наиболее распространенными пигментами являются каротины, меланины, ксантофиллы. Многие пигменты обладают антибиотикоподобным, антимикробным действием.

Замечание 2

Форма, цвет, вид колоний на плотных питательных средах учитываются при идентификации микроорганизмов, отборе колоний для создания чистых культур.

Понятия роста и размножения бактерий

Для микробиологической диагностики, изучения микроорганизмов и в биотехнологических целях микроорганизмы культивируют на искусственных питательных средах.

Под ростом бактерий понимают увеличение массы клеток без изменения их числа в популяции как результат скоординирован­ного воспроизведения всех клеточных компонентов и структур. Увеличение числа клеток в популяции микроорганизмов обозна­чают термином «размножение». Оно характеризуется временем генерации (интервал времени, за который число клеток удваи­вается) и таким понятием, как концентрация бактерий (число клеток в 1 мл).

В отличие от митотического цикла деления у эукариотов раз­множение большинства прокариотов (бактерий) идет путем бинарного деления, а актиномицетов - почкованием. При этом все прокариоты существуют в гаплоидном состоянии, поскольку молекула ДНК представлена в клетке в единствен­ном числе.

Бактериальная популяция

При изучении процесса размножения бактерий необходимо учитывать, что бактерии всегда существуют в виде более или менее многочисленных популяций, и развитие бактериальной по­пуляции в жидкой питательной среде в периодической культуре можно рассматривать как замкнутую систему. В этом процессе выделяют 4 фазы:

• 1-я - начальная, или лаг-фаза, или фаза задержки размноже­ния, - характеризуется началом интенсивного роста клеток, но скорость их деления остается невысокой;
• 2-я - логарифмическая, или лог-фаза, или экспоненциальная фа­за, - характеризуется постоянной максимальной скоростью деле­ния клеток и значительным увеличением числа клеток в популяции;
• 3-я - стационарная фаза - наступает тогда, когда число клеток в популяции перестает увеличиваться. Это связано с тем, что наступает равновесие между числом вновь образующихся и гибнущих клеток. Число живых бактериальных клеток в попу­ляции на единицу объема питательной среды в стационарной фазе обозначается как М-концентрация. Этот показатель явля­ется характерным признаком для каждого вида бактерий;
• 4-я - фаза отмирания (логарифмической гибели) - характери­зуется преобладанием в популяции числа погибших клеток и про­грессивным снижением числа жизнеспособных клеток популяции. Прекращение роста численности (размножения) популяции микроорганизмов наступает в связи с истощением питательной среды и/или накоплением в ней продуктов метаболизма мик­робных клеток. Поэтому, удаляя продукты метаболизма и/или заменяя питательную среду, регулируя переход микробной по­пуляции из стационарной фазы в фазу отмирания, можно соз­дать открытую биологическую систему, стремящуюся к устра­нению динамического равновесия на определенном уровне развития популяции.

Такой процесс выращивания микроорганизмов называется проточным культивированием (непрерывная культура). Рост в непрерывной культуре позволяет получать большие массы бактерий при проточном культивировании в специаль­ных устройствах (хемостатах и турбидистатах) и используется при производстве вакцин, а также в биотехнологии для полу­чения различных биологически активных веществ, продуци­руемых микроорганизмами.

Для изучения метаболических процессов на протяжении цикла клеточного деления возможно также использование синхронных культур - таких культур бактерий, все члены популяции кото­рых находятся в одной фазе цикла. Это достигается с помощью специальных методов культивирования.

Однако через несколько одновременных делений синхронизи­рованная клеточная суспензия постепенно снова переходит к асинхронному делению, так что число клеток увеличивается в дальнейшем уже не ступенчато, а непрерывно.

Колонии

При культивировании на плотных питательных средах бакте­рии образуют колонии - видимое невооруженным глазом скопле­ние бактерий одного вида, являющееся чаще всего потомством одной клетки.

Колонии бактерий разных видов отличаются:

• формой;
• величиной;
• прозрачностью;
• цветом;
• высотой;
• характером поверхности и краев;
• консистенцией.

Характер колоний - один из таксономических признаков бактерий.

Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом - фор­мированием структурно-функциональных компонентов клетки и увеличением самой бактериальной клетки, а также размноже­нием - самовоспроизведением, приводящим к увеличению ко­личества бактериальных клеток в популяции.

Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам, реже путем почкования. Актиномицеты, как и грибы, могут раз­множаться спорами. Актиномицеты, являясь ветвящимися бактериями, размножаются путем фрагментации нитевидных клеток. Грамположительные бактерии делятся путем врастания синтези­рующихся перегородок деления внутрь клетки, а грамотрицательные - путем перетяжки, в результате образования гантелевид-ных фигур, из которых образуются две одинаковые клетки.

Делению клеток предшествует репликация бактериальной хро­мосомы по полуконсервативному типу (двуспиральная цепь ДНК раскрывается и каждая нить достраивается комплементарной ни­тью), приводящая к удвоению молекул ДНК бактериального ядра - нуклеоида.

Репликация ДНК происходит в три этапа: инициация, элон­гация, или рост цепи, и терминация.

Размножение бактерий в жидкой питательной среде. Бактерии, засеянные в определенный, не изменяющийся объем питатель­ной среды, размножаясь, потребляют питательные элементы, что приводит в дальнейшем к истощению питательной среды и пре­кращению роста бактерий. Культивирование бактерий в такой си­стеме называют периодическим культивированием, а культуру - периодической. Если же условия культивирования поддерживаются путем непрерывной подачи свежей питательной среды и оттока такого же объема культуральной жидкости, то такое культивиро­вание называется непрерывным, а культура - непрерывной.

При выращивании бактерий на жидкой питательной среде наблюдается придонный, диффузный или поверхностный (в виде пленки) рост культуры. Рост периодической культуры бактерий, выращиваемых на жидкой питательной среде, подразделяют на несколько фаз, или периодов :

1. лаг-фаза;

2. фаза логарифмического роста;

3. фаза стационарного роста, или максимальной концентрации

бактерий;

4. фаза гибели бактерий.

Эти фазы можно изобразить графически в виде отрезков кри­вой размножения бактерий, отражающей зависимость логариф­ма числа живых клеток от времени их культивирования.

Лаг-фаза - период между по­севом бактерий и началом размножения. Продолжительность лаг-фазы в среднем 4-5 ч. Бактерии при этом увеличиваются в раз­мерах и готовятся к делению; нарастает количество нуклеино­вых кислот, белка и других компонентов.

Фаза логарифмического (экспоненциального) роста является периодом ин­тенсивного деления бактерий. Продолжительность ее около 5- 6 ч. При оптимальных условиях роста бактерии могут делиться каждые 20-40 мин. Во время этой фазы бактерии наиболее ра­нимы, что объясняется высокой чувствительностью компонен­тов метаболизма интенсивно растущей клетки к ингибиторам синтеза белка, нуклеиновых кислот и др.

Затем наступает фаза стационарного роста , при которой количество жиз­неспособных клеток остается без изменений, составляя макси­мальный уровень (М-концентрация). Ее продолжительность вы­ражается в часах и колеблется в зависимости от вида бактерий, их особенностей и культивирования.

Завершает процесс роста бактерий фаза гибели , характеризующаяся отмиранием бак­терий в условиях истощения источников питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий. Продолжи­тельность ее колеблется от 10 ч до нескольких недель. Интен­сивность роста и размножения бактерий зависит от многих фак­торов, в том числе оптимального состава питательной среды, окислительно-восстановительного потенциала, рН, температуры и др.

Размножение бактерий на плотной питательной среде. Бактерии, растущие на плотных питательных средах, образуют изолирован­ные колонии округлой формы с ровными или неровными кра­ями (S- и R-формы), различной консистенции и цве­та, зависящего от пигмента бактерий.

Пигменты, растворимые в воде, диффундируют в питатель­ную среду и окрашивают её. Дру­гая группа пигментов нерастворима в воде, но растворима в орга­нических растворителях. И, нако­нец, существуют пигменты, не растворимые ни в воде, ни в органических соединениях.

Наиболее распространены среди микроорганизмов такие пиг­менты, как каротины, ксантофиллы и меланины. Меланины яв­ляются нерастворимыми пигментами черного, коричневого или красного цвета, синтезирующимися из фенольных соединений. Меланины наряду с каталазой, супероксидцисмутазой и пероксидазами защищают микроорганизмы от воздействия токсичных перекисных радикалов кислорода. Многие пигменты обладают ан­тимикробным, антибиотикоподобным действием.