¿Qué es el crecimiento bacteriano y el tiempo de generación? – Curvas, fases y etapas

Imposible crecimiento bacteriano

Es probable que muchos de ustedes hayan visto este video. Si no es así, déjeme describir lo que está sucediendo. Este es un video de una sola célula de E. coli dividiéndose en muchas, justo frente a sus ojos. Ahora bien, la fisión binaria real, que es el proceso en el que la célula se divide en dos, no ocurre tan rápido. En realidad, una célula de E. coli tarda unos 20 minutos en dividirse en dos. Dicho de otra manera, cada 20 minutos, la población de E. coli puede duplicarse. Si comenzara con una sola célula de E. coli y la dejara crecer sin control durante 36 horas, terminaría con suficientes células para cubrir completamente la superficie de la Tierra. Déjelo crecer sin control durante 48 horas y tendrá una masa de E. colicélulas que pesaban hasta 4.000 Tierras! Bastante impresionante, especialmente si se considera que un billón de células pesan solo un gramo.

Además de ser una causa infame de intoxicación alimentaria, E. coli es un habitante común del tracto gastrointestinal de los mamíferos. Entonces, si E. coli es capaz de duplicarse cada 20 minutos y cubrir la Tierra en un día y medio, ¿por qué no tenemos literalmente E. coli saliendo de nuestros, bueno, solo diremos oídos? Porque el crecimiento bacteriano no es infinito con una tasa constante. En esta lección, examinaremos las principales características del crecimiento bacteriano y descubriremos por qué no caminamos constantemente a través de charcos gigantes y viscosos de células bacterianas.

Graficar el crecimiento bacteriano

Mencioné que el crecimiento bacteriano no es infinito y constante. De hecho, el crecimiento bacteriano es bastante complejo, influenciado por una serie de variables, incluidas las especies, la temperatura, el pH, los nutrientes disponibles, las concentraciones de toxinas y la competencia entre organismos. Para ilustrar lo que sucede durante la vida de una bacteria promedio, examinemos otra bacteria infame: Staphylococcus aureus . Esta bacteria común de la piel a menudo está implicada en infecciones bacterianas mortales. La razón por la que elegí Staph. aureus es que, en condiciones ideales, tiene un tiempo de generación de 30 minutos, un buen tiempo de ronda para realizar cálculos. El tiempo de una generación es simplemente el tiempo que tarda una célula en convertirse en dos. Entonces, si comenzamos con unoStaph. aureus , en 30 minutos habrá dos. En otros 30 minutos, debería haber cuatro, y así sucesivamente hasta 8, 16, 32, 64, indefinidamente. Si graficamos esta relación, se vería así, una gráfica exponencial perfecta.

En realidad, el gráfico de Staph. el crecimiento de aureus se verá así. Puede ver una pequeña porción que se asemeja a la gráfica exponencial, pero antes y después se ve un poco extraño. Afortunadamente, podemos dividir este gráfico en cuatro secciones, llamadas fases.

Fases del crecimiento bacteriano

La primera fase se llama fase de retraso . Esta fase se caracteriza por muy poco o ningún crecimiento bacteriano. Durante este tiempo, las bacterias se ajustan al medio ambiente, aumentan de tamaño, sintetizan bioquímicos y almacenan nutrientes. La duración de la fase de retraso depende de las condiciones ambientales en las que se encuentran las bacterias y de la salud general de las células.

La segunda fase debería resultar familiar. Esta es la fase logarítmica , caracterizada porque las células bacterianas se duplican a una tasa constante y exponencial. Durante este tiempo, nuestro Staph. aureus está alcanzando su ritmo, duplicando su número cada 30 minutos. Puedes ver cómo la población puede aumentar muy rápidamente. En las especies patógenas, normalmente es durante la fase logarítmica cuando aparecen los síntomas de la enfermedad, ya que el aumento de la población inflige un daño cada vez mayor a los tejidos del huésped.

La tercera fase es la fase estacionaria , cuando el crecimiento de la población se estabiliza a medida que la tasa de muerte celular comienza a igualar la tasa de división celular. Después de varias horas de rápida división celular, es probable que sucedan dos cosas: se consumirán nutrientes y se liberarán subproductos tóxicos. En cualquier caso, la división celular no puede continuar al mismo ritmo si se vuelve más difícil encontrar comida o si no puede sobrevivir a las toxinas.

La cuarta fase es la fase de muerte , caracterizada por una disminución constante en el número de la población debido al hambre y / o altas concentraciones de toxinas. Finalmente, el buffet debe terminar. Sin alimentos o frente a condiciones tóxicas letales, morirán más células de las que crecerán y se dividirán.

Todo el crecimiento bacteriano producirá un gráfico como este, pero los tiempos reales pueden variar mucho. Ya sabemos que E. coli tiene un tiempo de generación de 20 minutos, mientras que Staph. aureus necesita 30. La espiroqueta que causa la sífilis de ETS tiene un tiempo de generación de 33 horas. Y estos se encuentran en óptimas condiciones. En realidad, las limitaciones ambientales y la competencia por los recursos harán que el tiempo de duplicación sea aún más largo.

Cálculo de poblaciones con tiempos de generación

Mencioné el crecimiento exponencial, pero ¿qué significa eso realmente? Sabes que una celda se divide en dos y dos celdas en cuatro y cuatro en ocho. Esto también se puede escribir con exponentes. Después de dos tiempos de generación, tienes 2 al cuadrado, o

2 X 2 = 4 celdas

Después de tres tiempos de generación, tiene 2 cubos, o

2 X 2 X 2 = 8 celdas

Puede usar esta relación simple para calcular cuántas celdas debería tener después de que haya transcurrido cualquier número de tiempos de generación.

Mirando hacia atrás a nuestro Staph. aureus , si comienza con una celda y permite cuatro horas de crecimiento exponencial, puede determinar cuántas celdas tendría al final. Staph. aureus se duplica cada 30 minutos, lo que ocurre dos veces cada hora, durante seis horas. Entonces, 2 tiempos de generación por hora X 4 horas = 8 generaciones.

Ahora, volviendo a los exponentes, 2 elevado a la octava potencia es

2 X 2 X 2 X 2 X 2 X 2 X 2 X 2 = 256 celdas

Pero suponga que comienza con 1.500 células, no una, y las deja crecer durante cuatro horas. Las matemáticas funcionan igual. Si cada celda será de 256 celdas después de cuatro horas y ocho tiempos de generación, entonces

1,500 celdas X 256 = 384,000 celdas

Resumen de la lección

Es hora de revisar.

Las bacterias se reproducen dividiéndose por la mitad, convirtiendo una célula en dos. Cada especie de bacteria tiene su propio tiempo de generación , el tiempo que tarda una célula en convertirse en dos. Los tiempos de generación pueden variar según la especie de bacteria y las condiciones ambientales.

El crecimiento bacteriano siempre sigue un patrón predecible con cuatro fases:

• Fase de retraso : muy poco o ningún crecimiento bacteriano
• Fase logarítmica : el número de células bacterianas se duplica a una tasa constante y exponencial
• Fase estacionaria : el crecimiento de la población se estabiliza cuando la tasa de muerte celular es igual a la tasa de división celular
• Fase de muerte : disminución de la población debido a la inanición y / o altas concentraciones de toxinas

Para calcular el crecimiento de la población durante la fase exponencial, simplemente multiplique el número de población inicial original por 2 elevado a la potencia que representa el número de tiempos de generación que han transcurrido.

Los resultados del aprendizaje

Cuando esta lección esté completa, debería poder:

• Identificar las tasas de crecimiento bacteriano.
• Calcular el tiempo generacional de crecimiento de bacterias.
• Comprender las cuatro fases y patrones del crecimiento bacteriano.