RŮST A MNOŽENÍ BAKTERIÍ Životní cyklus Růst buňky Množení v populaci

1. RŮST A MNOŽENÍ BAKTERIÍ • Životní cyklus • Růst buňky • Množení v populaci • 3.1. Vsádková kultivace • 3.2. Kontinuální kultivace • 3.3. Další varianty 4. Kultivace smíšených kultur

2. Životní cyklus = uspořádaná sekvence jednotlivých biochemických a morfologických událostí od vzniku buňky do jejího rozdělení Doba mezi dvěma děleními buňky = generační doba Hlavní součásti: Syntesa buněčného materiálu Replikace DNA Vlastní rozdělení buňky Doba pro replikaci nemusí být totožná s generační dobou

3. 0 1 2 3 4

4. Růst buňky • růst individuální buňky, • = nárůst objemu, zvětšování velikosti tím, že stavební látky se ukládají v „růstových zónách“ • růst bakteriální populace („růstová křivka bakterií“) • = nárůst počtu buněk v množící se populaci; • charakterizována dobou zdvojení („T“) populace

5. Vsádková kultivace= statická kultivace = batch culture • Do množící se populace se nezasahuje, prostředí je modifikováno pouze přítomnými buňkami; uzavřený systém • Hlavní fáze: • 1. Lag fáze • buňky se přizpůsobují – synthesa enzymů • buňky se nemnoží (možný pokles počtu) – synthesa nových komponentů • délka – stáří buněk, složení prostředí, vnější faktory • 2. Fáze fyziologického mládí • adaptace dokončena, začíná dělení • kultura velmi citlivá na vnější vlivy • 3. Exponenciální (logaritmická) fáze • intenzivní množení – nejkratší doba zdvojení • buňky nedorůstají maximální velikosti • rychlost růstu konstantní („přímka“) • intenzivní spotřeba živin • maximální produkce primárních metabolitů (CO2, kyseliny, alkoholy...) • 4. Stacionární fáze • počet živých buněk je konstantní • počet umírajících = počtu vzniklých • důvod: dosažení „M“ koncentrace • spotřebovány živiny • nahromadění metabolitů • doba zdvojení = 0 • intenzivní produkce sekundárních metabolitů • 5. Fáze odumírání • počet buněk se snižuje (logaritmicky) • doba zdvojení < 0 (záporná)

7. Matematické charakteristiky Délka lagu Generační doba Doba zdvojení (T) Počet buněk (N) Počet dělení (generací) 0 1 2 4 n Počet buněk 1 2 4 8 2n Obecná rovnice (pro exponen. fázi): Nt = N0 * 2n kdeN je počet buněk v čase t N0 je počet buněk v čase t0 n je počet generací n = t/T T je doba zdvojení N = N0 * 2t/T (důležitá rovnice pro výpočet T) Specifická růstová rychlost (μ)= přírůstek počtu buněk (biomasy…) za časovou jednotku vztažený k počátečnímu množství buněk (biomasy…) μ = (dN/dt)/N0 μ = μMAX*S/(Ks + S) Ks je saturační konstanta živiny S Růstový výtěžek (Y)= množství biomasy na množství spotřebované živiny (S) Y = dN/dS Přiklady využití vsádkové kultivace: etanol, antibiotika, jogurt….

8. Kontinuální kultivace = otevřený systém – regulace vybraných parametrů z vnějšku: • množství živin • množství metabolitů • množství buněk • buňky udržujeme v logaritmické fázi • Dva hlavní systémy: • Chemostat • regulace – chemické parametry • sterilní medium je doplňováno a kultivační medium s buňkami odstraňováno (konstantní rychlost) • rychlost výměny určována spotřebou limitující živiny a dobou zdvojení • Turbidostat • regulace – udržení stanoveného počtu buněk v populaci • rychlost doplňování je variabilní • živiny obvykle v nadbytku • Výhody kontinuální kultivace: • Vyšší využití biofermentoru • Nevýhody: • Horší využití živin • Příklady využití: kyselina octová, čištění odpadních vod, trávicí trakt

9. Kontinuální kultivace: • Varianty: • chemostat • turbidostat

10. Další varianty kultivace: • Submersní • – růst v celém profilu prostředí • Povrchová • – růst na povrchu substrátu • Diauxie (polyauxie) • – složená růstová křivka, dáno postupným využíváním živin • Synchronizovaná • – většina buněk ve stejné části životního cyklu • (např. po chladovém šoku = zabránění dělení, ale růst neomezen) • Homogenní • – charakteristika ve všech částech fermentoru shodná • Heterogenní • – koncentrace živin + buněk + metabolitů ve fermentoru rozdílná • Kultivace s imobilizovanými buňkami (enzymy) • – buňky uchyceny na nosiči (nejsou v mediu)

11. Kultivace smíšených kultur • (dříve uvedená pravidla platí pro monokulturu) – ve směsných podstatně složitější • Symbiosa – vzájemný vztah 2 organismů: • mutualismus– pro oba výhodné • komensalismus – výhodné pro jednoho partnera, druhý není ovlivněn • parasitismus– jeden z partnerů zvýhodněn, druhý poškozován • antagonismus (amensalismus) – jeden z partnerů poškozován, druhý neovlivněn • kompetice – oba partneři poškozováni; např. soutěžení o živiny a prostor; (competitive exclusion) • syntrofismus– vzájemná „spolupráce“ při produkci růstových faktorů, výměně živin apod. • predace– jeden organismus slouží jako „kořist“ druhému