Ріст і розмноження мікроорганізмів

Ріст і  розмноження мікроорганізмів

Вступ

Розмноження, або відтворення собі подібних, є  невід'ємною властивістю всіх живих  організмів — від вірусів до людини. Цей процес забезпечує існування  в часі кожного виду рослин і тварин, підтримання його чисельності і  спадковості між окремими поколіннями. Тільки внаслідок розмноження (поділу) існуючих клітин можуть утворюватись нові. Ріст, індивідуальний розвиток і постійне самооновлення тканин багатоклітинних організмів визначаються процесами поділу клітин. Підтримання життя таких особин у часі також зумовлюється розмноженням клітин, оскільки тривалість життя більшості клітин коротша, ніж особини.

Клітинні  культури знаходять усе більш  широке застосування в різних областях біології й медицини. Їх використають при рішенні таких загально біологічних  проблем, як з'ясування механізмів діференціровки й проліферації, взаємодії кліток із середовищем, адаптації, старіння, біологічної  рухливості, злоякісної трансформації. Важливу роль грають клітинні культури в біотехнології при виробництві  вакцин і біологічно активних речовин. Культури кліток застосовують для діагностики  й лікування спадкоємних захворювань, як тест-об'єкти при випробуванні нових  фармакологічних речовин. Використання культивованих кліток поза організмом для діагностики хвороб є логічним продовженням методу біопсії, при якій вилучений із організму фрагмент тканини піддають негайному (переважно  морфологічному) дослідженню.  

Однак завдяки  культивуванню можливості дослідження  й діагностики розширюються практично  безмежно, тому що є можливість оцінки не тільки морфологічних і біохімічних  змін, але також змін у поводженні кліток, їхніх реакцій на різні  агенти, у тому числі на лікарські  впливи. Відтворення культивованого клітками в ряді поколінь якого-небудь дефекту або зміни, властивого кліткам іn vіvo, свідчить про спадкоємну природу цього дефекту або зміни. Саме завдяки цій обставині культивовані клітки є коштовним об'єктом фізіологічної генетики. Останнім часом зріс інтерес до роботи з культивованими клітками, особливо у фахівців із застосування моноклональних антитіл, одержуваних методами гибридомної технології.  
Культивування мікроорганізмів - створення штучних умов для підтримки процесів життєдіяльності й розмноження мікробів іn vіtro. Із цією метою використають живильні (культуральні) середовища. Для одержання мікроорганізмів або продуктів їхньої життєдіяльності в промислових масштабах використають методи глубинного й безперервного культивування. 

1. Поняття  росту мікроорганізмів 

Під поняттям ріст розуміють гармонійне збільшення всіх хімічних компонентів, з яких складається  бактеріальна клітина. Ріст прокаріотів залежить насамперед від того, чи є в середовищі вода, поживні речовини, фізіологічне активні речовини тощо. Ріст паличкоподібних прокаріотних клітин відрізняється від кулястих. Перші ростуть переважно в напрямку довгої вісі, а другі — рівномірно в усіх напрямках. У зв'язку з цим співвідношення між поверхнею і об'ємом у паличкоподібних клітин під час їхнього росту істотно не змінюється. У кулястих — відносна величина поверхні клітини зменшується, оскільки їхня поверхня росте пропорційно квадрату радіусу, а об'єм — пропорційно кубу.

Ріст  бактерій завершується їхнім розмноженням, яке виявляється у збільшенні кількості особин мікробної популяції  на одиницю об'єму. Найчастіше бактерії розмножуються нестатевим, бінарним, поділом. Відомо два типи поділу бактеріальної клітини: за допомогою перегородки і перешнуровуванням. У разі першого типу поділу посередині бактеріальної клітини починає формуватися поперечна перегородка, яка спочатку складається з цитоплазматичної мембрани і розмежовує цитоплазму материнської клітини на дві дочірні. Далі синтезується оболонка і утворюються дві нові клітини.

Грамнегативні бактерії поділяються переважно  перешнуровуванням, тобто звужуванням  клітини в місцях поділу, аж доки вона не поділиться на дві. Різновидом бінарного поділу бактерій є брунькування. При цьому розмноженні на одному із полюсів материнської клітини утворюється брунька, яка в процесі росту збільшується до розмірів материнської клітини, а потім відділяється від неї. Під час брунькування оболонка бруньки повністю синтезується заново.

Рис. 1. Поділ клітини за допомогою поперечної перегородки

КС — клітинна стінка; ЦМ — цитоплазматична мембрана; Н — нуклеоїд;

ПП — поперечна перегородка

У деяких одноклітинних ціанобактерій виявлено множинний поділ. Йому передує реплікація хромосоми і збільшення розмірів материнської клітини, в якій далі відбувається кілька послідовних бінарних поділів, що приводить до утворення величезної кількості дрібненьких клітин. Ці клітини дістали назву беоцитів. Після розриву оболонки материнської клітини вони виходять назовні.

Період  від поділу до поділу клітини називається  онтогенезом, або клітинним циклом бактерій. Розрізняють кілька типів вегетативного клітинного циклу у бактерій: мономорфний, при якому утворюється лише один морфологічний тип клітини, наприклад у бактерій родів Васіїїш і Езспегісітіа; диморфний, коли формуються два морфологічних типи клітин, наприклад у бактерій роду СаиІоЬасІег, і поліморфний, при якому утворюються кілька моофологічно різних типів клітин

Серед актиноміцетів  поширене розмноження фрагментами  гіф, а деякі бактерії можуть розмножуватися за допомогою спор, але не ендоспор. Бактеріям притаманний високий  темп розмноження, що характеризується часом генерації, тобто часом, упродовж якого відбувається поділ бактеріальної  клітини. Час генерації визначається видом бактерій, їхнім віком і умовами довкілля. За сприятливих умов час генерації для багатьох видів бактерій коливається в межах від 15 до 30 хв.

Уявити  швидкість розмноження і утворення  бактеріальної маси допоможуть такі приклади. Якщо бактерія ділитиметься через кожні 20 хв. то з однієї бактерії за 24 год може утворитися 72 генерації. Це становить 472 • 1019 особин. Холерний вібріон за ЗО год спроможний дати таке потомство, яке могло б покрити  суцільним шаром усю поверхню земної кулі. Академік В.І. Вернадський  у своїй праці «Очерки геохимии»  наводить приклад, що «за сприятливих  умов одна бактерія за 4—5 днів може утворити 1036 особин, об'єм яких . дорівнює океанові».

Насправді ж у природі немає таких  ідеальних умов, за яких бактерії могли  б безперешкодно розмножуватися. Брак поживних речовин, несприятливі температурні умови, згубний вплив продуктів  обміну, поїдання бактерій іншими організмами  та багато інших чинників — усе  це негативно позначається на розмноженні  бактерій. Велика швидкість розмноження  прокаріотів — еволюційне пристосування  до збереження виду.

Надзвичайно важливою умовою процесу поділу бактерій є реплікація ДНК. Поділ клітини  починається лише через деякий час  по тому, як закінчиться реплікація ДНК. Є дані про те, що сигналом для  поділу клітини є початок реплікації молекули ДНК й що подвоєння ДНК  і поділ клітин відбуваються зі швидкістю, властивою для кожного виду бактерій.

У бактеріальній  популяції постійно відбувається ріст, розмноження і відмирання бактеріальних  клітин. Спостереження за розмноженням прокаріотів у замкнених системах на рідких живильних середовищах показують, що швидкість їхнього росту змінюється з часом. У живильному середовищі бактерії ростуть доти, доки вміст у ньому якогось із необхідних їм компонентів не досягне мінімуму; далі їхній ріст припиняється. Якщо протягом цього часу не додавати поживних речовин і не видаляти продуктів обміну, то дістанемо так звану статичну бактеріальну культуру.

Ріст  бактеріальної популяції в такій  «закритій системі» підлягає відповідним  закономірностям. Крива, яка описує залежність логарифмів числа клітин статичної культури від часу, дістала  назву кривої росту. Типова крива  росту має 8-подібну форму, яка  дає змогу розрізняти кілька фаз  росту, що змінюють одна одну у визначеній послідовності.

2. Фази  росту мікроорганізмів 

За вирощування  бактерій в рідкому живильному середовищі методом періодичного культивування  в оптимальних умовах умовно виділяють  фази росту бактеріальної популяції, які відображають загальну закономірність росту і розмноження бактеріальних  клітин.

1. Початкова  фаза, охоплює проміжок часу від  моменту висівання бактерій на  живильне середовище й до досягнення  максимальної швидкості росту.  В цей період бактерії пристосовуються  до умов культивування. Тривалість  цієї фази залежить від зовнішніх  умов, віку і видової специфічності  бактерій.

2. Експоненціальна,  або лог-ф а з а. В цей  період розмноження бактерій  відбувається з найбільшою швидкістю.  Кількість клітин збільшується  в геометричній прогресії. Внаслідок  інтенсивного розмноження клітин  відбувається швидке поглинання  поживних речовин із живильного  середовища і нагромадження в  ньому шкідливих продуктів обміну. Це, своєю чергою, сповільнює розмноження  культури і лог-фаза переходить  у наступну фазу.

3. Стаціонарна  фаза настає тоді, коли кількість  клітин перестає збільшуватись.  У цей період кількість новоутворених  клітин дорівнює числу відмерлих,  а тому кількість живих клітин  деякий час залишається незмінною.  Разом з цим стаціонарна фаза  характеризується максимальною  величиною біомаси, максимальною  життєдіяльністю мікробної популяції. 

4. Фаза відмирання. У цій фазі відмирання бактерій  переважає над розмноженням, зростає  гетерогенність культури тощо. Такий  стан бактеріальної популяції  зумовлюється зміною фізико-хімічних  властивостей поживного середовища  та іншими несприятливими чинниками.  Фаза відмирання досі ще недостатньо  вивчена. 

 Рис. 2. Схема  росту бактеріальної культури:

N — кількість  клітин (млн у \ мл); 1g N — те саме  в логарифмічному виразі; / — лаг-фаза; // — експоненціальна фаза; /// —  фаза сповільнення росту; IV —  максимальна стаціонарна фаза; V — фаза відмирання 

Виокремлюють  ще й фазу виживання, яка характеризується наявністю окремих клітин, що збереглися протягом тривалого часу в умовах загибелі більшості клітин мікробної  популяції. Висівання цих клітин на свіже поживне середовище показало, що вони зберегли здатність після лаг-фази активно рости і розмножуватися.

Під час  культивування бактерій в замкненій  системі вони весь час перебувають  в умовах, що постійно змінюються. Таке культивування дістало назву  непротокової культури. Спочатку бактерії мають у надлишку всі поживні  речовини, а далі поступово починають  відчувати їхню нестачу, одночасно  відбувається отруєння клітин продуктами обміну. Все це спричинює зниження швидкості росту мікробної популяції. Однак якщо додавати в середовище свіжі поживні речовини і водночас видаляти культуральну рідину, то бактерії можна утримувати в експоненціальній фазі росту будь-який час. Такий метод  покладено в основу протокового  (безперервного) культивування мікроорганізмів, яке здійснюється в хемостатах, турбідостатах та інших спеціальних культиваторах.

Суть  методу безперервного культивування  бактерій і грибів полягає в тому, що вирощувана культура міститься у  спеціальному приладі, в який постійно надходить свіже живильне середовище. З такою самою швидкістю з  культиватора витікає культуральна рідина з мікробами. Безперервне  культивування бактерій в культиваторах  автоматично регулюється, а тому воно дуже перспективне, оскільки забезпечує значне збільшення продуктивності цехів  при зменшенні затрат праці.

Отже, безперервне  культивування мікробів широко використовується не тільки для вивчення їх фізіології, біохімії, генетики тощо, а й інтенсивно впроваджується в практику мікробіологічної промисловості. Нині розроблено низку варіантів проточного культивування різних мікроорганізмів: напівбезперервне, багатоциклічне та ін.

У фізіологічних, цитогенетичних і генетичних дослідженнях часто використовують так звані  синхронні культури, в яких усі  клітини перебувають на тій самій  стадії клітинного циклу. Синхронізація бактеріальної культури здійснюється за допомогою фізичних і хіміко-біологічних методів.

У процесі  росту і розмноження відбуваються помітні зміни в житті прокаріотів. Ці зміни можна спостерігати в  нормальному циклі онтогенезу бактерій, який залежить від природи організмів, складності їх форм і послідовності  розвитку. Найпростіший цикл розвитку зафіксовано у кулястих бактерій: він ототожнюється з ростом клітини  та поділом їх. У бацил до циклу  розвитку за певних умов додається  й спороутворення.

Досить  складним циклом розвитку характеризуються міксобактерії, в яких вегетативні  клітини паличкоподібної форми  змінюють овальні або кулясті  клітини, скупчення яких разом зі слизом утворюють плодові тіла. Всередині цих тіл клітини переходять до стану'Спокою, перетворюючись на мікроспори і мікроцисти, що є закономірною стадією життєвого циклу міксобактерій.