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Tema 11

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    Tema 11 Tema 11 Presentation Transcript

    • 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Mecanismos de división1. 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 Caulobacter3. 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 2. 2 Replicación del cromosoma Ori C se duplica cuando comienza la replicación 8
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 3. 3 Síntesis y segregación Elongación en la región ecuatorial → aumento de tamaño → Segregación de los cromosomas → Formación del septo 9
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 12
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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 minutosEl incremento en nº de células será exponencial o logarítmico igual a 2n N=N0 2n Crecimiento exponencial: representación gráfica 17
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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)/ nLog nº células g = 240 min. log 2/ log 103 g = 240 min. 0.3/ 3 g = 24 minutos Tiempo (h) e po ( ) 21
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • 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 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.
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Crecimiento diauxico: efecto glucosa. Crecimiento sobre lactosa Agotamiento de la glucosa Enzimas inducibles Crecimiento sobre glucosa Enzimas constitutivas 25
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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 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 concentración limitante de un nutriente esencial. 26
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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 rebosadoEsquema de un quimiostato. Trabaja en las condiciones de restricción del crecimiento q q jpor la limitación de un nutriente y separación de células y de sustancias de desecho 27
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional Los quimiostatos: un horror de tubos y sondas 29
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional 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 30
    • Tema 11. Crecimiento bacteriano: crecimiento celular y poblacional BIBLIOGRAFÍA1. 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.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