1. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 1. Introduccin al crecimiento: individual y poblacional 2. Crecimiento individual: el ciclo celular3. Crecimiento d poblaciones:3 Ci i t de bl i Crecimiento exponencial o balanceado Crecimiento en cultivos cerrados: curva de crecimiento Cultivos continuos de microorganismos C lti ti d ii 1

2. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalObjetivos del tema:1. Diferenciar entre crecimiento celular y poblacional2. Conocer el control del crecimiento celular3. Definir tiempo de generacin y crecimiento balanceado4. Diferenciar las distintas fases del crecimiento en cultivos cerrados y las causas que las provocan5. Saber calcular el tiempo de generacin de un cultivo en fase exponencial6. Conocer el desarrollo de los cultivos continuos, tipos y aplicaciones2 3. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional1. Introduccin al crecimientoMicroorganismosAumento del nmero de clulasOrganismos superiores Aumento de tamao y complejidadCrecimiento bacteriano: definicin Constituyentes Masa celular DivisinMultiplicacin celularCrecimiento individual o ciclo celularCrecimiento poblacional 3 4. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Mecanismos de divisin1. Fisin binaria transversal: cada clula se divide en dos Clulas en divisin: cuando una clulas se divide se forma un tabique de pared celular que separa a las dos clulas hijas. En la microfotografa se muestra la divisin de Staphylococcus aureus, el tabique de pared ecuatorial divide a la clulas en dos.2. Gemacin: crecimiento protuberante en un extremo que se agranda y se separaMicroscopa electrnica de una bacteria gemante desarrollndosede una yema. Observar la gran estructura en crter sobre el poloreproductivo de la clula madre. Se observan tambin fimbrias.Es tpico de levaduras y de algunas bacterias como Caulobacter3. Crecimiento filamentoso: de ActinomicetosClulas se alargan para dar un filamento. Cuando elmicroorganismo crece, se replica el ncleo en muchas copias a lolargo del filamento lo que permite que existan genomas en lasfilamento,zonas de crecimiento del filamento y al final ocurre lafragmentacin de los filamentos y la separacin. 4 5. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 2. 2 Crecimiento individual: ciclo celular Etapas que transcurren desde la formacin de una nueva clula yla siguiente divisinTiempo degeneracin (g) 5 6. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalTiempos de generacin de algunas bacterias bajocondiciones de crecimiento ptimasTiempo de generacin (g) BacteriaMediominutosEscherichia coliGlucosa y sales 17Bacillus megaterium Sacarosa y sales25Streptococcus lactisSt tl ti Leche L h26Streptococcus lactis Caldo lactosa48 BHI:caldo cerebro-Staphylococcus aureusSt h l 27-30 27 30coraznLactobacillus acidophilusLeche 66-87Rhizobium japonicum Extracto levadura manitol levadura-manitol 344-461344 461MycobacteriumSinttico 792-932tuberculosisTreponema pallidum Testculo de conejo 1980 6 7. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Crecimiento celular por fisin binaria transversal:Fases del ciclo celular1. Crecimiento en tamao y masag)2. Replicacin del cromosoma2 R li i d lracin (g3. Sntesis y segregacin nuclear Elongacin en la reginTiempo de generecuatorial Segregacin de los dos dcromosomas Formacin del septoT4. Divisin7 8. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 2. 2 Replicacin del cromosomaOri C se duplica cuando comienza la replicacin 8 9. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 3. 3 Sntesis y segregacinElongacin en la regin ecuatorial aumento de tamao Segregacin de los cromosomas Formacin del septo 9 10. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalProtenas Fts de formacin del septofilamentous temperature sensitive proteinsSe encuentran en todos los procariotas (Bacteria y Archaea) y en orgnulos ecuariticosConstituyen el aparato de divisin o divisomaEn bacterias bacilares el divisoma forma un anillo hacia el centro de la clulaEsta regin marca el plano de divisinImagen del anillo contrctil(fluorescencia in situ) 10 11. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalProtenas Ft y el plano de divisin celularP t Fts l l d di i i l l Algunas protenas (E.coli): FtsZ: al polimerizar forma el anillo y atrae a otras protenas FtsA: ATP hidrolizantes ATP-hidrolizantes Zip A: une el anillo FtsZ a la membrana Fts I: de sntesis del glucoptido PBPs Las protenas interaccionan parasintetizar nuevas cubiertas: MC,PC y otras Forman el septo Originan dos nuevas clulas hijas 11 12. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 12 13. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Protenas Fts y el plano de divisin celular Cel. nucleoide Anillo FtsZ Aparicin y desaparicin del anillo durante el ciclo celular: Fila superior: microscopa de contraste de fases Fila 2 tincin para el nucleoide Fila 3 y 4 tincin para la protena Fts Z (rojo) y nucleoide (azul)Columna 1: anillo Fts aun sin formarColumna 2: aparicin del anillo FtsZ cuando el nucleoide inicia la segregacinColuma 3: Anillo FtsZ completo durante la elongacin 13Columna 4: Degradacin del anillo y divisin celular 14. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalControl del ciclo celular1.Una fase del ciclo no comienza hasta que la anterior no haya terminado.2.Debe existir una determinada masa crtica celular para desencadenar elinicio de la replicacin del cromosoma y con ello tambin la divisin. Mi = Masa de iniciacin M= Masa celular Mi = 2 MCuando se alcanza esta masa crtica se disparan dos eventos Replicacin DNA Formacin septo 14 15. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Control del ciclo celular de E.coliSe alcanzaInicio delProtenas dela longitud proceso dedivisin yFtsZdivisinprecursores deltabiqueTabicacin DivisinSe alcanza Inicio de la Replicacin y segregacin del ADN Copiasla masa de replicacinseparadasiniciacin del ADNdel ADN020 40 60Tiempo (min)Esquema de las dos secuencias independientes de acontecimientos en el ciclo celular que actuando en paralelo controlan la divisin celularHay 3 procesos independientes:Replicacin del cromosoma elongacin celular y formacin del septocromosoma,controlados por el aumento de la masa celular 15 16. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalCrecimiento de poblaciones: Crecimiento exponencial balanceadog ggg gggEl incremento en masa, nmero de clulas o cualquier constituyente por unidad16de tiempo es constante 17. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Crecimiento de poblaciones: crecimiento exponencialo crecimiento balanceadoEjemplo de crecimiento exponencialTiempoN de2nNLog N (min)divisiones 00 20 10.0 20 1 21 2 0.301 40 2 22 4 0.602 60 3 23 8 0.903 80 4 2416 1.204100 5 2532 1.505120 6 2664 1.806 El cultivo comienza con una clula con un tiempo de generacin de 20 minutosEl incremento en n de clulas ser exponencial o logartmico igual a 2n N=N0 2n Crecimiento exponencial: representacin grfica 17 18. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Crecimiento exponencial: expresin matemtica La velocidad de crecimiento: = constante de crecimiento instantneo ode velocidad de crecimiento. N/N.t= COEFICIENTE EXPONENCIAL DECRECIMIENTO dN/dt= N ; dN/N= dt NtN dN/N= t odt Ln N- ln N0 = (t-t0) o Ln N/N0 = (t-t0) (Ecuacin 1). (t t0)(t-t N=N0 eLn N El incremento en el nmero deLn N0clulas es funcin exponencial del tiempoTiempo 19. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Clculo del tiempo de generacin: gTras n generaciones: N=N0 2n N/N0 = 2nEl nmero de generaciones en (t-t0) n = (t-t0)/ gN/N0 = 2(t-t0)/ g(t tLn N/N0 = Ln2.(t-t0)/ gSustituimos en la ecuacin 1:Ln N/N0 = (t-t0) (t-t0)= Ln2.(t-t0)/ g =Ln2/ g =0.693/g = maxg =0.693/ nos indica la velocidad de crecimiento y esinversamente proporcional al tiempo de generacin g 19 20. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Clculo del tiempo de generacin (g) en poblaciones en crecimiento exponencial. lulas/mlClulas/mlC Tiempo (h) Tiempo (h)n = (t-t0)/ g20 21. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Ejemplo: Cual es el tiempo de generacin de una poblacin bacteriana que incrementa de 10.000 a 10.000.000 clulas en 4 horas? N= N0 2nN/ N0 = 2nLog N/ N0 = n log2 Log N/ N0/log2 = n Log 107/ 104/log2 = n Log 103 /log 2 = ng= (t-t0)/ nLog n clulasg = 240 min. log 2/ log 103g = 240 min. 0.3/ 3g = 24 minutos Tiempo (h) e po ( )21 22. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Vamos a considerar: Que una clula bacteriana con un tiempo de generacin de 20 minutos crece exponencialmente. Que el peso de una clula es de: ~9.5 x 10-13 gTras 48 horas la poblacin bacteriana p 2 144 BACTERIAS Tras 48 horas la poblacin bacteriana debera pesar 4000 veces el peso de la tierraPorqu no ocurre esto?El crecimiento est limitado por la falta de nutrientes esenciales o por la produccin de productos residuales txicosEs decir el crecimiento del cultivo entra en unaFase estacionaria22 23. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Ciclo de crecimiento de poblaciones en cultivos cerrados: curva de crecimiento Curva de crecimiento en cultivos cerrados Lag: fase de latenciaLfd l tiFase estacionaria Ft i i Log: Fase exponencial o logartmica Fase de muerte celularde crecimiento balanceado La duracin de cada fase y la tasa de crecimiento bacteriano en la fase exponencial dependen23 lade especie y de las condiciones del medio. 24. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Fase Lag:Fase estacionaria: Cuando el inoculo proviene de cultivo Limitacin en nutrientes y acumulacin de estacionario, estacionario daado por calor qumicos o productos txicos que inhiben el radiacionescrecimiento Cuando el inoculo se transfiere de un medio Se igualan el n de clulas que crecen con rico a otro mas pobre: Las clulas se ajustan, el que mueren q se alargan y sintetizan protenas crticas y l i t ti t ti metabolitosFase de muerte:Fase Log: Crecimiento exponencial Una mayora de clulas comienzan amorir exponencialmente por la Hay nutrientes adecuadoscarencia de nutrientes 24 El ambiente es favorable 25. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalCrecimiento diauxico: efecto glucosa. Crecimiento sobre lactosaAgotamiento de la glucosaEnzimas induciblesCrecimientosobre glucosaEnzimas constitutivas 25 26. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalCultivos continuosC lti tiN clulas/ml d cultivo = constantel l / l de lti t tAporte constante de nutrientes y una salida de productos de desecho Control sobre el nmero de clulas y la velocidad de crecimientoSistemas de cultivo continuoTurbidostato: Se ajusta la densidad celular a una turbidez constante. No es posible variar la velocidad de crecimientoQuimiostato: Se controla independientemente la velocidad de crecimiento y la densidad celular, por la velocidad de entrada de medio y la concentracin limitante de un nutriente esencial.26 27. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalCultivo continuo de microorganismos: quimiostatoCoeficiente de dilucin : D = f/v en h-1Factor de dilucin Reservorio de medio frescoPrdida por drenaje: -dx/dt = x . DIncremento por crecimiento: dx/dt = x . Vlvula de control del flujo Crecimiento = x . - x . D = x(-D) SR f en ml/h En equilibrio = D ; dx/dt = 0 Cmara de cultivo X es constanteV: volumen de medio de lti d cultivo en el reactor l tV en ml EQUILIBIO DINMICO X: masa celularxcreciendo en el reactor Receptor del efluente rebosadoEsquema de un quimiostato. Trabaja en las condiciones de restriccin del crecimientoqq jpor la limitacin de un nutriente y separacin de clulas y de sustancias de desecho27 28. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Quimiostato: Tasa de dilucin Densidad celular o biomasa armetro medido o Tiempo de generacin oVelocidad de crecimiento PaConcentracin denutrienteVelocidad de dilucin Modificando la entrada de nutrientes y la velocidad de salida de medio se consiguen una variedad de poblaciones creciendo a distintas velocidades de28 crecimiento 29. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Los quimiostatos: un horror de tubos y sondas 29 30. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalObjetivos del tema:1. Diferenciar entre crecimiento celular y poblacional2. Conocer el control del crecimiento celular3. Definir tiempo de generacin y crecimiento balanceado4. Diferenciar las distintas fases del crecimiento en cultivos cerrados y las causas que las provocan5. Saber calcular el tiempo de generacin de un cultivo en fase exponencial6. Conocer el desarrollo de los cultivos continuos, tipos y aplicaciones30 31. Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacionalBIBLIOGRAFA1. LIBROS DE TEXTO: Crecimiento celular y fisin binaria. Creceimiento microbiano. Brock Biologa de losmicroorganismos (10 Edicin). Pearson Prentice Hall. (2003). Crecimiento de poblaciones. Curva de crecimiento. Brock Biologa de losmicroorganismos (10 Edicin). Pearson Prentice Hall. (2003). Crecimiento microbiano. Microbiologa (5 Edicin) Prescott Harley y Klein Mc microbiano (5 Edicin). Prescott, Klein.Graw-Hill (2004).2. Pginas Web:http://genesis.uag.mx/cytec/material/culcon/culcon.swfhttp://coli.usal.es/web/educativo/micro2/tema07.html#anchor601616http //coli sal es/ eb/ed cati o/micro2/tema07 html#anchor601616http://www.unavarra.es/genmic/micind-2-3.htm 31