Crecimiento Bacteriano

Concepto de Crecimiento Bacteriano

El crecimiento bacteriano implica la división celular, llevando a un aumento exponencial del número de células iniciales de una población. Las bacterias pueden crecer individuamente por fisión binaria (la célula se alarga hasta dividirse en dos) o en el contexto de una población (las células duplican su tamaño y se forma un septum, que consiste en el crecimiento de la membrana celular y de la pared celular hasta la separación de las dos células).

Cuando una célula se separa dando origen a dos nuevas células se dice que ocurrió una generación, designándose como tiempo de generación la duración de todo ese proceso.

Los tempos de generación varían mucho de una especie a otra, dependiendo también del medio de crecimiento y de las condiciones de cultivo. Un crecimiento exponencial es definido por la duplicación del número de células durante un intervalo de tiempo constante. En este tipo de crecimiento el número de células aumenta lentamente, pasando poco después a un aumento muy rápido, resultando en un elevado número de células.

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Cinética del crecimiento exponencial

Teniendo en cuenta que existe una relación entre el número inicial de células y el número de células tras un período de tiempo de crecimiento exponencial (puesto que una célula da origen a dos y esas dos se van a dividir en 4 células y así sucesivamente), existe una expresión matemática que resume esa relación:

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El tiempo de generación (g) puede ser calculado a través de la siguiente fórmula: g = t/n, en donde t representa el tiempo de crecimiento transcurrido. Existen otras expresiones relacionadas con el crecimiento exponencial que también pueden ser determinadas, mientras que sea conocido el tiempo de crecimiento transcurrido y el número de generaciones: µ define la tasa específica de crecimiento y k designa la tasa de crecimiento (número de generaciones por unidad de tiempo).

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Ciclo de crecimiento bacteriano

El crecimiento de un cultivo bacteriano puede ocurrir en un sistema cerrado o en un sistema abierto. En el primero no ocurre renovación de los nutrientes y las sustancias tóxicas se acumulan en el medio, al contrario de lo que sucede en un sistema abierto. Un ciclo de crecimiento en un sistema cerrado presenta cuatro fases diferentes:

1. Fase de latencia: generalmente, el crecimiento bacteriano no se inicia tras el cultivo en un nuevo medio, notándose esta fase inicial sin grandes diferencias a nivel del crecimiento. Esta fase puede tener varias explicaciones, como diferencias de condiciones entre el cultivo inicial y el nuevo; células que sufrieron daños anteriormente y necesitan un tiempo para recuperar; inoculación de un cultivo antiguo: síntesis de los componentes celulares necesarios para la división celular.
2. Fase exponencial: todas las células entran en división celular durante un periodo de tiempo que depende de la cantidad de nutrientes presentes en el medio. En esta fase, las células están en su mejor estado de desarrollo, siendo este el momento dispensable para la realización de ensayos científicos. La tasa de crecimiento es afectada por las condiciones de cultivo y también por las características genéticas de los microorganismos
3. Fase estacionaria: después de la fase de crecimiento exponencial, puede ocurrir la depleción de uno de los nutrientes esenciales al crecimiento celular o la acumulación de un producto de metabolismo que impida el crecimiento. De esta forma, las bacterias cesan su crecimiento, entrando en una fase estacionara, durante la cual la tasa de crecimiento es nula.
4. Fase de declive o de muerte celular: en el caso de que el cultivo bacteriano continúe tras la fase anterior, las células van a acabar por morir, pudiendo inclusivamente ocurrir lisis celular. La muerte celular ocurre a una velocidad mucho menor que el crecimiento bacteriano.

En un cultivo en sistema continuo (o abierto) ocurre la renovación constante de nutrientes y la eliminación de productos del metabolismo. La entrada del nuevo medio se da una tasa igual a la salida de medio de cultivo usado con microorganismos. Este tipo de cultivo es habitualmente realizado en un quimiostato en el cual la densidad celular y la tasa de crecimiento pueden ser controladas, a través de la tasa de disolución (que corresponde a la tasa de salida dle medio del cultivo y de entrada del nuevo medio) o de la restricción de un nutriente esencial.

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Determinación del crecimiento bacteriano

El crecimiento de bacterias puede ser calculado a través de la contabilización del número de células o de componentes celulares, como el peso seco. La determinación del crecimiento envuelve generalmente dos características celulares: el número de células y la turbidez.

• Métodos microscópicos – incluyen el conteo de células presentes en el cultivo o en una muestra a través del microscopio o de la citometría del flujo. Constituyen una forma simple y rápida, pero con numerosas limitaciones, tales como la necesidad de colorar las células viables y no viables, dificultad en visualizar células pequeñas, poca precisión, dificultad en visualizar células de cultivos con baja densidad, necesidad de inmovilizar células móviles, fragmentos presentes en la muestra pueden ser confundidos con células.
• Métodos viables de conteo – apenas contabilizan células viables. Incluyen el conteo de unidades formadoras de colonias (CFU) en placas de cultivo (pudiendo ser necesaria la disolución del cultivo antes de la inoculación en la placa, de modo a garantizar que el número de CFU no sea exagerado y pueda ser contabilizado), pero que presenta algunas limitaciones (como por ejemplo, el número de CFU depende de la cantidad de inóculo, de la viabilidad del cultivo, del medio del cultivo y de sus condiciones, variación del tamaño de las CFU y la sincronización de su crecimiento.
• Métodos turbidimétricos – tienen en cuenta el aumento de los componentes celulares como las proteínas, el ADN o el peso seco. Esencialmente estos métodos utilizan la turbidez del cultivo, es decir, la masa celular total, extrapolándose para el número de células. Incluyen la densidad óptica, que es evaluada a través de un espectrofotómetro. A pesar de ser un método simple y fácil de utilizar, sólo puede ser utilizado en microorganismos que sean cultivables en medios líquidos y la determinación de la absorbancia puede no ser necesaria en la determinación de la masa celular total.

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Factores que afectan el crecimiento microbiano

Existen también condiciones ambientales que influyen en el crecimiento, tales como:

• Solutos y actividad del agua – la presencia de solutos en el ambiente externo afecta a la disponibilidad del agua para los microorganismos. Sin embargo, existen organismos adaptados a condiciones de menor disponibilidad de agua como los que viven en ambientes marinos o aquellos que sintetizan solutos compatibles;
• pH – a pesar de que existen organismos que crecen en ambientes ácidos, neutros y básicos, alteraciones en este parámetro acarrean consecuencias para el crecimiento celular;
• Temperatura – tanto temperaturas altas como temperaturas bajas pueden interrumpir el crecimiento bacteriano e incluso causar muerte celular. La tolerancia a alteraciones de temperatura depende de un organismo a otro;
• Concentración de oxígeno – el oxígeno no es un factor esencial para el crecimiento bacteriano, puesto que existen microorganismos que pueden vivir en ambientes anaerobios y otros que apenas crecen en esas condiciones, así como especies que apenas sobreviven en ambientes aerobios;
• Presión – puede afectar a la estructura de las proteínas, causar alteraciones en la membrana celular o en la estructura del citoesqueleto. Sin embargo, existen igualmente organismos adaptados a ambientes con elevadas presiones, como los que habitan el fondo de los océanos;
• Radiación – interfiere con la cadena de ADN, llevando a la muerte celular. La radiación UV es un método bastante eficaz de esterilización.

References:

• Bartlett, D. H. (2002). Pressure effects on in vivo microbial processes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Protein Structure and Molecular Enzymology, 1595(1), 367-381.
• Madigan, M., Clark, D., Stahl, D., & Martinko, J. (2010). Microbial Growth. In D. Espinoza (Ed.), Brock Biology of Microorganisms (13th ed., pp. 117-149). San Francisco, CA, United States of America: Benjamin Cummings.