rese di crescita. - microbiologia generale

“MICROBIOLOGIA GENERALE”
Prof. C. Mazzoni
Corso
di
Laurea
Triennale
Biotecnologie Agro- Industriali
Università di Roma “La Sapienza”
in
Appunti della lezione 11
Diapositive della lezione 11
Capitolo 6
1
Il ciclo cellulare nei batteri
Il ciclo cellulare rappresenta il periodo di
tempo in cui un nuovo batterio si allunga,
replica il proprio DNA e si divide per generare
due cellule figlie. La replicazione del DNA e
gli eventi coinvolti nella formazione delle due
cellule figlie vengono regolati sotto stretto
controllo. Nella generazione di una nuova
cellula esiste infatti un evento regolatore che
dà l’avvio alla duplicazione del genoma
batterico. Il tempo necessario per duplicare le
4,2X106 coppie di basi del DNA di batteri con
un tempo di generazione tra i 20 e i 60 minuti è
di 40 minuti; questa è la fase C (diap.2). Dopo
il completamento della duplicazione del DNA,
vi è un intervallo di circa 20 minuti prima che
si verifichi la divisione; questa è la fase D
(delay) durante la quale il DNA duplicato si
separa verso le estremità opposte della cellula
allungata.
In che modo una specie che ha un tempo di
generazione di 25 minuti quando la
replicazione del DNA richiede almeno 40
minuti? La risposta è che una seconda
replicazione inizia sulla porzione del DNA che
si è già replicata prima che la fase C della
prima replicazione sia giunta a compimento.
Pertanto, ambedue le cellule figlie possono
ricevere un genoma che possiede forcelle di
replicazione in via di formazione.
Effetto della concentrazione dei
nutrienti sulla velocità di crescita.
Il nutriente (substrato) viene aggiunto ai terreni
di crescita come fonte di carbonio e di energia;
in genere, la quantità che viene aggiunta è in
eccedenza rispetto al livello necessario per
ottenere la crescita massima. La velocità di
crescita è più rapida con l’aumentare dei livelli
del nutriente, ma si stabilizza oltre una data
soglia di concentrazione del substrato. Quando
il substrato viene aggiunto al di sotto del
livello soglia, allora la velocità di crescita si
riduce. Una riduzione della velocità di crescita
in presenza di bassi livelli del nutriente deriva
dalla incapacità di un organismo a trasportare
il substrato con una velocità sufficiente a
mantenere una crescita bilanciata. L’accumulo
intracellulare degli intermedi essenziali è più
basso di quanto non lo sia alla saturazione del
substrato, e non tutti i precursori sono
disponibili contemporaneamente per consentire
una velocità massima di sintesi e riproduzione
cellulare. La concentrazione dei nutrienti
influisce anche sul numero di cellule prodotte
complessivamente (diap. 29). Con l’aumentare
del
livello
di
nutrienti,
cresce
proporzionalmente anche la produzione delle
cellule (resa cellulare); comunque, se la
concentrazione di un nutriente nel terreno
viene aumentata oltre una certa soglia, la
produzione cellulare e la resa di crescita non
aumenteranno.
Quando la fonte di energia disponibile per un
organismo è molto scarsa, allora la crescita
cellulare si interrompe. Gli organismi
richiedono una quantità stabilita di energia,
detta energia di mantenimento, necessaria
semplicemente per consentire loro di
sopravvivere e svolgere le funzioni di base.
L’energia di mantenimento viene utilizzata per
la replicazione del DNA, l’accumulo del
nutriente all’interno della cellula, la motilità, il
turnover
delle
macromolecole,
il
mantenimento di un potenziale attraverso la
membrana citoplasmatica etc.. Un aumento del
numero di cellule può verificarsi solo quando
l’energia disponibile supera le esigenze di
mantenimento non correlate alla crescita.
E’ opportuno sottolineare come la velocità di
crescita, la crescita totale e la concentrazione
del substrato necessaria a supportare la crescita
siano tutti parametri diversi da specie a specie.
Alcuni organismi non cresceranno in presenza
di un’elevata densità microbica nella
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sospensione, anche se in presenza del nutriente
favorevole e di quelle che vengono ritenute le
condizioni di crescita ottimali.
Crescita sincrona delle cellule in coltura
Non è possibile misurare in una singola cellula
batterica gli eventi che si succedono durante il
ciclo cellulare. Informazioni sulla sequenza
degli eventi che si verificano durante un ciclo
cellulare si possono ottenere con una certa
precisione solo quando esaminiamo una
popolazione in cui tutte le cellule si trovano
nella stessa fase di divisione.
Una coltura in cui ciascuna cellula sia nello
stesso stadio di divisione è detta colture
sincrona. I dati ottenuti dallo studio di tale
popolazione possono essere applicati ad
un’unica cellula. Dalla curva di crescita di una
coltura sincrona (diap. 31) si evince che vi è
una periodicità nel numero delle cellule
rispetto al tempo; ciò significa che tutte le
cellule presenti nella coltura si dividono allo
stesso tempo.
Sono state sviluppate diverse tecniche che
consentono di ottenere una coltura sincrona
(diap. 30).
La divisione simultanea dei batteri non dura
più di due o tre generazioni, per cui la
sperimentazione che coinvolge le attività
metaboliche che avvengono durante il ciclo
cellulare deve essere eseguita con la prima o la
seconda generazione.
Efficienza della crescita: rese di crescita.
L’efficienza di un microrganismo nel
convertire un substrato in massa cellulare è
detta efficienza della crescita (diap. 33). Tale
parametro viene misurato confrontando i
grammi di biomassa prodotti per mole di
substrato utilizzato; il rapporto tra la massa
cellulare ottenuta e il substrato consumato
viene definito resa di crescita e calcolato
mediante l’equazione
ysub= xmax - x0 / moli di substrato utilizzate
In questo caso xmax è la massa cellulare
ottenuta, mentre x0 rappresenta la quantità di
cellule inoculate; la resa di crescita sarà
espressa come ymax o ysub (peso secco in
grammi delle cellule /mole di substrato). Negli
organismi di cui è nota la via catabolica per
l’utilizzazione del substrato, può essere
calcolata anche la resa di energia (ATP
formato). La resa di crescita può essere
Glucosio + 2ADP + 2P
Pertanto è possibile determinare la massa delle
cellule prodotte per mole di ATP generato in
organismi come questi, dove il substrato viene
utilizzato solo come fonte di energia. La resa
di crescita yATP, è in genere un parametro
costante fra i batteri; una mole di ATP favorirà
la crescita di circa 10 grammi di massa
cellulare (peso secco). Di conseguenza, la resa
cellulare in un substrato utilizzato solamente
come fonte di energia è una funzione diretta
del numero delle molecole di ATP prodotte per
mole di fonte di energia utilizzata (diap. 34).
Questo sta a dimostrare che, nonostante la
diversità microbica, il valore di yATP è costante
e che le vie biosintetiche alimentate dall’ATP
sono simili in tutte le specie. La diversità della
espressa anche come yATP, che rappresenta il
peso secco in grammi della biomassa per mole
di ATP disponibile.
I batteri anaerobi, come i batteri lattici,
necessitano di un terreno di crescita molto
complesso e, in genere utilizzano il glucosio
unicamente come fonte di energia secondo la
reazione
2 acido lattico + 2ATP
vita microbica è pertanto determinata dai
singoli mezzi con cui i microrganismi
generano l’ATP necessario (ovvero, diversità
delle vie cataboliche e dei substrati utilizzati).
La resa di crescita di un batterio
chemioeterotrofo che utilizza un substrato
come sorgente sia di energia che di carbonio è
molto più difficoltosa da valutare in termini di
ATP generato. Gli organismi aerobi che
utilizzano uno zucchero o altri substrati come
fonte di carbonio ed energia differiscono nella
loro efficienza.
Alcuni esperimenti indicano che nei
chemioeterotrofi, la capacità di conversione
del substrato in biomassa varia dal 15% al
50%; nel caso di uno zucchero la conversione
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massima in biomassa è di circa il 50% (per
metà viene assimilato dalle cellule mentre per
l’altra metà viene rilasciato come CO2 o come
prodotto di rifiuto). Un microrganismo che
cresce in presenza di metano (CH4), per cui
viene aggiunta una mole di ossigeno
atmosferico per mole di metano assimilato,
può avere una resa cellulare pari fino al 70%.
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