Mikrobiyal Büyüme
Doğru koşullar sağlandığında (gıda, doğru sıcaklık, vb.) mikroplar çok hızlı büyüyebilir. Duruma bağlı olarak, bu insanlar için iyi bir şey olabilir (birayı yapmak için mayanın şerbet içinde büyümesi) veya kötü bir şey olabilir (boğazınızdaki bakterilerin streptokok enfeksiyonuna neden olması). Büyümeleri hakkında bilgi sahibi olmak önemlidir, böylece belirli koşullar altında büyümelerini tahmin edebiliriz veya kontrol edebiliriz.
Muticelluar organizmalar için büyüme tipik olarak tek bir organizmanın boyutundaki artışla ölçülürken, mikrobiyal büyüme ya hücre sayısındaki artış ya da toplam kütledeki artış ölçülerek popülasyondaki artışla ölçülür.
Bakteriyel Bölünme
Bakteriler ve arkeler sadece eşeysiz olarak ürerken, ökartotik mikroplar hem eşeyli hem de eşeysiz üreyebilir. Bakteriler ve arkeler en yaygın olarak ikili fisyon olarak bilinen ve tek bir hücrenin eşit büyüklükte iki hücreye bölündüğü bir süreçten geçerler. Daha az yaygın olan diğer süreçler arasında çoklu fisyon, tomurcuklanma ve spor üretimi sayılabilir.
Süreç, hücre hacmindeki artışa ek olarak hücre zarının ve hücre duvarının dikkatli bir şekilde genişlemesini gerektiren hücre uzamasıyla başlar. Hücre, yeni oluşan her iki hücre için birer tane olmak üzere kromozomunun kopyalarına sahip olmaya hazırlanmak için DNA'sını çoğaltmaya başlar. FtsZ proteini, başlangıçta uzamış hücrenin ortasında bir halka olarak ortaya çıkan bir septum oluşumu için gereklidir. Nükleoidler uzamış hücrenin her iki ucuna ayrıldıktan sonra septum oluşumu tamamlanır ve uzamış hücre eşit büyüklükte iki yavru hücreye bölünür. Tüm süreç veya hücre döngüsü, aktif bir E. coli bakteri kültürü için 20 dakika kadar kısa sürebilir.
Büyüme Eğrisi
Bakterilerin laboratuvarda yetiştirilmesi kolay olduğundan, büyümeleri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Kapalı bir sistemde veya batch kültürde (gıda eklenmez, atıklar uzaklaştırılmaz) bakterilerin öngörülebilir bir düzende büyüyeceği ve bunun sonucunda dört farklı büyüme evresinden oluşan bir büyüme eğrisinin ortaya çıkacağı belirlenmiştir: başlangıç aşaması, üstel veya logaritmik artış aşaması, durağan aşama ve ölüm veya düşüş aşaması. Ayrıca, bu büyüme eğrisi belirli bir organizma için nesil süresini de verebilir - nüfusun iki katına çıkması için gereken süre.
Her bir büyüme eğrisi ile ilgili detaylar (hücre sayısı, her bir fazın uzunluğu, büyüme veya ölümün hızı, toplam süre) organizmadan organizmaya ve hatta aynı organizma için farklı koşullara göre değişecektir. Ancak dört farklı büyüme aşamasından oluşan model tipik olarak devam edecektir.
Başlangıç Aşaması
Başlangıç aşaması, bakterilerin yeni koşullarına uyum sağladığı bir adaptasyon dönemidir. Başlangıç fazının uzunluğu, koşulların bakterinin geldiği koşullardan ne kadar farklı olduğuna ve bakteri hücrelerinin kendi durumuna bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir. Aynı çevresel koşullara sahip, aynı tipteki bir ortamdan aktif olarak büyüyen hücreler, en kısa başlangıç fazına sahip olacaktır. Hasarlı hücrelerin uzun bir başlangıç fazı olacaktır, çünkü üremeye başlamadan önce kendilerini onarmaları gerekir.
Tipik olarak başlangıç dönemindeki hücreler RNA, enzimler ve yeni ortamlarında eksik olabilecek temel metabolitleri (büyüme faktörleri veya makromoleküller gibi) sentezlemekte ve sıcaklık, pH veya oksijen mevcudiyetindeki değişiklikler gibi çevresel değişikliklere uyum sağlamaktadır. Ayrıca yaralı hücrelerin gerekli onarımını da üstlenebilirler.
Üstel veya Logaritmik Artış fazı
Hücreler büyüme için ihtiyaç duydukları her şeyi biriktirdikten sonra hücre bölünmesine geçerler. Büyümenin üstel veya log fazı, 1 hücrenin 2 hücreye, 4 hücreye, 8 hücreye vb. dönüştüğü, popülasyonun öngörülebilir ikiye katlanmasıyla işaretlenir. Hücreler için en uygun koşullar, çok hızlı büyümeyle (ve büyüme eğrisinde daha dik bir eğimle) sonuçlanırken, idealden daha az koşullar daha yavaş büyümeyle sonuçlanacaktır. Büyümenin üstel fazındaki hücreler en sağlıklı ve en düzgün olanlardır, bu da çoğu deneyde neden bu fazdaki hücrelerin kullanıldığını açıklar.
Bu aşamadaki büyümenin öngörülebilir olması nedeniyle, bu aşama bakteri popülasyonunun iki katına çıkması için gereken süreyi matematiksel olarak hesaplamak için kullanılabilir ve bu süre generation time (g) olarak bilinir. Bu bilgiler mikrobiyologlar tarafından temel araştırmaların yanı sıra endüstride de kullanılmaktadır. Jenerasyon süresini belirlemek için, hücre sayısının doğal logaritması zamana karşı çizilebilir (burada birimler, belirli bir popülasyon için büyüme hızına bağlı olarak değişebilir) ve tahmin edilebilir bir eğime sahip bir çizgi oluşturmak için yarı logaritmik bir grafik kullanılabilir.
Alternatif olarak, üstel fazın başlangıcındaki ilk hücre sayısı ile belirli bir süre sonraki hücre sayısı arasındaki sabit ilişkiye güvenilebilir ve bu ilişki şu şekilde ifade edilebilir:
Burada N nihai hücre konsantrasyonu, N0 başlangıç hücre konsantrasyonu ve n belirtilen zaman aralığında meydana gelen nesil sayısıdır. Üretim süresi (g) t/n ile gösterilebilir; t dakika, saat, gün veya ay cinsinden belirtilen süreyi ifade eder. Dolayısıyla, büyümenin üstel aşamasının başlangıcındaki hücre konsantrasyonu ve üstel büyümenin belirli bir süresinden sonraki hücre konsantrasyonu biliniyorsa, nesil sayısı hesaplanabilir. Daha sonra, büyümenin devam etmesine izin verilen süre (t) kullanılarak g hesaplanabilir.
Durağan Aşama
Her güzel şeyin bir sonu vardır (aksi takdirde bakteriler 7 günde Dünya'nın kütlesine eşit olurdu!). Bir noktada bakteri popülasyonu temel bir besin/kimyasal maddeyi tüketir veya büyümesi kendi atık ürünleri (kapalı bir kap, hatırladınız mı?) veya fiziksel alan eksikliği nedeniyle engellenir ve hücrelerin durağan faza girmesine neden olur. Bu noktada, üretilen yeni hücre sayısı ölen hücre sayısına eşittir veya büyüme tamamen durmuştur, bu da büyüme eğrisinde büyümenin düzleşmesine neden olur.
Bu aşamada hücreler yeni açlık koşullarına uyum sağlamaya çalıştıklarından fizyolojik olarak oldukça farklı hale gelirler. Üretilen az sayıdaki yeni hücre daha küçük boyutta olup, basil hücreleri neredeyse küresel bir şekil alır. Plazma membranları daha az akışkan ve geçirgen hale gelir, yüzeyde hücre yapışmasını ve toplanmasını destekleyen daha fazla hidrofobik molekül bulunur. Nükleoid yoğunlaşır ve açlık çeken hücrelerin DPS adlı DNA bağlayıcı proteinleriyle bağlanarak DNA, hasara karşı korunur. Değişiklikler, hücrenin olumsuz koşullarda daha uzun süre hayatta kalmasını sağlarken, daha uygun koşulların (besin infüzyonu gibi) oluşmasını beklemek üzere tasarlanmıştır. Aynı stratejiler, oligotrofik veya düşük besin ortamlarındaki hücreler tarafından da kullanılır. Doğal dünyadaki (yani laboratuvar dışındaki) hücrelerin tipik olarak oligotrofik ortamlarda uzun süreler boyunca var olduğu ve sadece ara sıra besin infüzyonlarının onları çok kısa süreler için üstel büyümeye döndürdüğü varsayılmıştır.
Durağan fazda hücreler, antibiyotikler gibi aktif büyümenin ardından üretilen ikincil metabolitleri üretme eğilimindedir. Bir endospor yapma kapasitesine sahip hücreler, sporülasyon sürecini başlatmak için bu durağan fazda gerekli genleri aktive edecektir.
Ölüm veya Düşüş Aşaması
Büyüme eğrisinin son aşaması olan ölüm veya düşüş aşamasında, canlı hücre sayısı öngörülebilir (veya üstel) bir şekilde azalır. Eğimin dikliği, hücrelerin canlılığını ne kadar hızlı kaybettiğine karşılık gelir. Bu aşamadan toplanan hücreler taze ortama aktarıldığında büyüme gösteremediğinden, kültür koşullarının hücrelerin onarılamayacak şekilde zarar gördüğü bir noktaya kadar kötüleştiği düşünülmektedir. Bu dönemde, kültürün bulanıklığı hücre yoğunluğunu belirlemek için sıkça kullanılan bir ölçüttür. Ancak, hücreler hala canlı ve sağlam olduğundan ölçümler bu faz boyunca azalmayabilir. Bu durumun farkında olmak önemlidir. Yani, kültürün bulanıklığının düşmemesi bu fazda hücrelerin ölmediği anlamına gelmeyebilir.
Ölü olduğu düşünülen hücrelerin belirli koşullar altında yeniden canlandırılabileceği öne sürülmüştür; bu durum canlı ancak kültürlenemez (VBNC) olarak tanımlanmıştır. Bu durum, çok düşük metabolizma ve hücresel bölünme eksikliği durumuna girdikleri, ancak daha sonra koşullar iyileştiğinde büyümeye devam ettikleri patojenler için önemli olabilir.
Ayrıca, hücreler -ne kadar sert olursa olsun- çevresel koşullara uyum sağlamak için mutasyona uğradıklarından, herhangi bir hücre popülasyonu için %100 hücre ölümünün olası olmadığı gösterilmiştir. Genellikle artıklık etkisi gözlenir, yani küçük bir hücre populasyonu öldürülemez. Ayrıca bu hücreler, parçalanıp hücresel içeriklerini salarken çevreye besin sağlayan diğer hücreleri öldürmelerinden de fayda sağlayabilir.
Sonraki Ders: Çevresel Etkenler
Yorumlar
Yorum Gönder