קצב הגידול הספציפי
נושא 6 גידול אוכלוסייה מיקרוביאלית חיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים משמשים "מכונות ייצור" המבצעות פרוק ,שינוי ובנייה של תרכובות רצויות .תהלכי ייצור באמצעות מיקרואורגניזמים נקראים תהליכי תסיסה .חשוב להבין את הקינטיקה של הגידול ואת השלבים בהתפתחות תרבית חיידקים כי תהליך ייצור תוצר בתסיסה תלוי בתהליך גידול החיידקים בתרבית. תהליך הגידול כולל את ארבעת השלבים הבאים : 1 תקופת הסתגלות למצע ולתנאי התרבית ,יש קליטת חומרי מזון והכנה ביוכימית לקראת ההתרבות עדיין אין שינוי בריכוז התאים ההתחלתי זהו שלב ההמתנה שלב LAG 2 התאים מתחילים להתרבות .כל תא מתחלק לשני תאי בת .קצב ההתרבות ליחידת זמן קבוע ריכוז התאים עולה בקצב מהיר לוגריתמי זהו שלב גידול מואץ שלב LOG 3 המזון נגמר ,יש צפיפות גדולה והצטברות פסולת. נוצר מצב של עקה והגידול נעצר ריכוז התאים מפסיק לעלות ומתייצב זהו שלב העמידה שלב STAT 4 המשך העקה גורם לתמותה של התאים בקצב מהיר בתהליך של פרוק עצמי (אוטוליזיס) ריכוז התאים יורד בקצב מואץ-לוגריתמי זהו שלב התמותה שלב DEATH גרף השינויים בריכוז התאים (סקלה לוגריתמית) כתלות בזמן הגידול בתרבית עקומת גידול חיידקים שלב התמותה בתהליך פרוק עצמי אוטוליזיס שלב העמידה וההתייצבות בגלל תנאי עקה שלב ריבוי מהיר בקצב לוגריתמי מואץ שלב ההמתנה לפני התחלת ההתרבות http://www-bioc.rice.edu/bios576/nih_bioreactor/NDL_Bioreactor%20Page.htm גורמים חשובים המשפיעים על עקומת הגידול של חיידקים זן החיידק הרכב מצע המזון צפיפות הגידול טמפרטורת הגידול ריכוז הפסולת המופרשת ריכוז CO2 בתרבית pH המצע ריכוז החמצן בתרבית http://www.cellsalive.com/ecoli.htm עיקרון ההכפלה והריבוי :חלוקת כל תא לשני תאי בת http://www.uic.edu/classes/bios/bi os100/lecturesf04am/binfission.jpg בשלב ראשון הכרומוזום מכפיל את עצמו בשלב שני יש השתנצות וחלוקת התא לשני תאים זהים כרומוזום החיידק אנימציה: .1הכפלת הכרומוזום ((DNA .2חלוקת התא לשני תאים תא החיידק http://estrellamountain .edu/faculty/farabee/bi obk/BioBookDiversity _2.html בשלב ה : LOGהתרבות התאים בקצב מעריכי ( 2nריבוי לוגריתמי) 20 אנימציה: התרבות חיידקים בתרבית 21 22 23 24 2n http://members.optusnet.com.au/exponentialist/Bacteria.htm http://www.microbiologybytes.co m/LabWork/bact/bact1.htm שלב הגידול המואץ ( )LOGהוא שלב הכפלה וריבוי מעריכי של החיידקים. הריבוי על בסיס . 2כל תא מתחלק לשני תאי בת. אם במצב התחלתי ( : )0יש תא אחד (תא הורה) חלוקה : 1יהיו 2תאי בת (דור )1 חלוקה : 2יהיו 4תאים( .דור )2 חלוקה : 3יהיו 8תאים( .דור .)3וכך הלאה. אם במצב ההתחלתי היו 5תאים אז בדור 3יהיו 40תאים צאצאים ( .)5X8 האות nבאנגלית מתארת את מספר החלוקות (דורות). המתמטיקה של גידול חיידקים בתרבית = t0זמן התחלת התרבית )LN (X לן ריכוז התאים = X 0ריכוז התחלתי של התאים בזמן אפס t = נקודת זמן של הבדיקה ) LN (X t = X tריכוז התאים בזמן הבדיקה t = μשיפוע קו הישר בשלב הלוגריתמי וזה שווה לקצב הגידול הספציפי של התאים ומבטא את קצב העלייה בריכוז התאים ביחידת זמן .שיפוע גדול יותר פירושו ,קצב גידול גבוה יותר. μ ) LN (X 0 זמן (שעות) t משוואת הגידול : ) LN X t = μ ( t – t0 X0 ממשוואת הגידול ניתן לחלץ את הערך של קצב הגידול הספציפי ( μמספר חלוקות ליחידת זמן) ובעזרתו ניתן לחשב את זמן הדור gהממוצע (זמן ההכפלה של החיידק בדקות) לפי הנוסחה: g = LN ( 2 ) = 0.693 μ μ בנקודה זו ריכוז התאים גדל ושווה לריכוז x t t0 בנקודה זו ריכוז התאים עדיין התחלתי x0 דוגמה לחישובים מתמטיים בנושא גידול חיידקים חישוב של קצב גידול ספציפי וזמן דור של חיידקים הגדלים בתרבית נוזלית: משוואת הגידול של חיידקים: ) LN X t = μ ( t – t0 X0 g = LN ( 2 ) = 0.693 μ μ : X0ריכוז התאים (מספר תאים במ"ל) בנקודת זמן ראשונה (התחלתית בזמן אפס). : Xtריכוז התאים (מספר תאים במ"ל) בנקודת זמן שנייה. : μקצב הגידול הספציפי של זן החיידק (מספר חלוקות ביחידת זמן) : gזמן הדור הממוצע של החיידק שהוא זמן ההכפלה (יחידות זמן ) בעיה: מדען גידל תרבית של זן חיידקים חדש בריכוז התחלתי 1x103 לאחר 3שעות של גידול לוגריתמי ריכוז התאים עלה ל4x105 - חשב את קצב הגידול הספציפי ואת זמן הדור של החיידק. תאים במ"ל. תאים במ"ל. גידול חיידקים במצע נוזלי במבחנה פתרון : בניית טבלת עזר :נתון שהבדיקה נעשתה בשלב הלוגריתמי בהפרש זמנים של 3שעות. X0 Xt t μ g Xt X0 LN Xt X0 1x103 4x105 3 ? ? 4x105 = 4 x 102 1x103 LN 4x 102 = 5.99 נציב במשוואת הגידול את הנתונים המתאימים : ) LN Xt = μ x ( t - to Xo חלוקות בשעה 5.99 = μ x 3 μ = 5.99 / 3 = 1.997 שעה g = LN (2) / μ = 0.693 / 1.997 = 0.347 דקות g = 0.347 x 60 = 20.82 ארבעת המדדים (פרמטרים) החשובים שניתן ללמוד מעקומת הגידול .1משך הזמן של כל שלב וזמני המעבר בין השלבים (אורך כל שלב). .2קצב הגידול הספציפי ( מיו ) μעל-פי שיפוע גרף העלייה בשלב הגידול המואץ. .3זמן הדור ( ) gעל-פי חישוב בעזרת קצב הגידול. .4הכמות המרבית של התאים בתרבית. כל ארבעת המדדים נתונים לשינויים כי הם תלויים ב: • זן החיידק • הרכב המצע • תנאי הגידול • מידת השינוי הסביבתי בהשוואה למצע הקודם שהיו שרויים בו הביולוגיה שמאחורי המתמטיקה של הגידול קצב הגידול הספציפי μוזמן הדור : g .1קצב הגידול ,זהו שיפוע הגרף של עקומה סמי-לוגריתמית .כלומר ,המשתנה התלוי ציר Y (השינוי בריכוז התאים) מוצג בסקלה לוגריתמית בעוד שהמשתנה הבלתי תלוי ציר ( Xהזמן) מוצג בסקלה אריתמטית. .2קצב הגידול מבטא את העלייה בביומסה (כמות התאים החיים) ביחידת זמן. .3ככל שהשיפוע גדול יותר קצב הגידול מהיר יותר .ולהפך ,ככל שהשיפוע נמוך יותר קצב הגידול איטי יותר. .4קצב הגידול ( ) μנמצא ביחס הפוך לזמן הדור ( .) gכאשר קצב הגידול מהיר יותר זמן ההכפלה קטן יותר .ולהפך ,כאשר זמן ההכפלה ארוך יותר ,קצב הגידול איטי יותר. .5קצב הגידול ספציפי לזן החיידק ובכלל למיקרואורגניזם .ככל שתא המיקרואורגניזם מורכב יותר זמן ההכפלה ארוך יותר וקצב הגידול איטי יותר .בחיידקים זמן הדור בתחום 15-60 דקות .בשמרים 70-120דקות ובפטריות 2-7שעות. .6קצב הגידול ,למרות שהוא ספציפי לתא ,תלוי בהרכב המצע ,בכמות המזון ,בתנאי הסביבה (טמפרטורה , pH ,קצב אוורור ,קצב ערבול ועוד).. .7בתנאים מיטביים (אופטימאליים) קצב הגידול μהוא הגבוה ביותר וזמן הדור gהקצר ביותר. .8אורך שלב הגידול ( )LOGתלוי מצד אחד ,בכמות חומרי המזון ובטריות המצע (שלב ארוך יותר ,ויש יותר תאים) ומצד שני ,בצפיפות הגידול ובכמות הפסולת המצטברת בתרבית (מתקצר ,והגידול נעצר) .הסיבה לכך ,אורכו של שלב הגידול ( )LOGתלוי בזמן הדור .גידול מהיר יגרום לצפיפות גדולה ולאזילת חומרי המזון ולמעבר מהיר לשלב העמידה (.)STAT .9המעבר משלב הגידול לשלב העמידה מלווה בשינויים ביוכימיים בתאים והתאים הופכים לקטנים יותר ולעמידים יותר לחום ולקרינה .בשלב העמידה יש התייצבות על ערך קבוע של ריכוז התאים אך למעשה כבר מתחילה תמותה של תאים ,אך קצב התמותה שווה לקצב הריבוי ולכן לא רואים ירידה במספר התאים בתרבית. .10בשלב התמותה רואים ירידה מהירה בריכוז התאים ,ובקצב מעריכי .במצב רעב התאים עוברים פרוק /עיכול עצמי (אוטוליזיס) ע"י אנזימים הידרוליטיים עצמיים .גם כאן ,קצב התמותה תלוי בסוג החיידק ,בתנאי התרבית ובהרכב המצע. נבג = ספורה ()spore נבגים : בפטריות ובחיידקים מסוימים יש צורת חיים עמידה לתנאי הסביבה המאפשרת למיקרואורגניזמים לשרוד את התנאים הקשים במצב "תרדמה" ולצמוח מאוחר יותר, בתנאים טובים לאורגניזם פעיל .תהליך זה נקרא הנבגה (ספורולציה) .הנבג נמצא במצב תרדמה כמעט מוחלטת ע"י הפסקת הפעילות המטבולית (חילוף חומרים). תא חיידק פעיל וגטטיבי שלם צורת נבג (ספורה) ובתוכה חלק קטן מדנ"א החיידק DNAהחיידק http://www.chestnutlabs.com/microbiologyHighlights.html בתהליך המעבר לצורת נבג ,שומר החיידק רק חלק קטן מה DNAועוטף אותו בשלבים ,בשכבות הגנה שסוגרות עליו בצורת קופסית .בו בזמן ,החלק האחר של התא עובר פרוק הידרוליטי ומתמוסס. סרטון על תהליך הספורולציה http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072556781/student_view0/chapter3/animation_quiz_1.html פאזות ייצור תוצרים במערכת תסיסה פאזה I פאזה II טרופופאזה אידיופאזה ייצור התוצרים מתבצע במהלך הגידול המואץ של התאים (בשלב LOGשל הגידול) תוצרי הטרופופאזה נפוצים ומשותפים למיקרואורגניזמים רבים בהיותם תוצרים של תהליכי הפקת אנרגיה ומסלול יצירתם ידוע ייצור התוצרים מתבצע לאחר סיום הגידול המואץ של התאים (בשלב STATשל הגידול) תוצרי האידיופאזה ספציפיים ליצורים מסוימים ולתנאים סביבתיים מיוחדים יצירתם מבוקרת באופן שונה ומסלול יצירתם מורכב ולא ידוע תרשים של פאזות ייצור תוצרים במערכת תסיסה חומרי מזון וחומרי מוצא במצע הגידול שלב ייצור מקביל לשלב הגידול המואץ ( .)LOGהביומסה וגם המטבוליטים הראשוניים נוצרים במקביל (באותה פאזה) שלב ייצור מקביל לשלב העמידה ( )STATבסיום הגידול .התאים מייצרים מטבוליטים שניוניים ממטבוליטים ראשוניים או ישירות מחומרי מוצא במצע קבלת ביומסה של תאים יצרנים ייצור מטבוליטים ראשוניים ייצור מטבוליטים שניוניים טרופופאזה Trophophase ייצור מטבוליטים ראשוניים אידיופאזה Idiophase ייצור מטבוליטים שניוניים אידיופאזה טרופופאזה הסבר : קינטיקה של ייצור תוצרים בתסיסה תלויה בקינטיקה של גידול החיידקים .בשלבי גידול שונים מתקיימות פאזות ייצור שונות ונוצרים תוצרים שונים מחומרי מוצא שונים. טרופופאזה :שלב המטבוליזם הראשוני ( ) Primaryשל תהליכי הפקת אנרגיה לגידול וריבוי (תהליכים קטבוליים) ותהליכי בנייה (תהליכים אנבוליים) .לכן התוצרים הנוצרים (כולל תוצרי לוואי כמו כוהל) קשורים למטבוליזם הראשוני ונקראים מטבוליטים ראשוניים .התאים הנמצאים בתהליכי ריבוי מייצרים מטבוליטים ראשוניים מחומרי-מוצא הנמצאים בשפע במצע . אידיופאזה :שלב של מטבוליזם שניוני ( ) Secondaryשל תהליכים משניים שלא קשורים לגידול אלא לבניית תוצרים שניוניים ספציפיים להישרדות המין בסביבה מסוימת בטבע (לדוגמה ,חומרים אנטימיקרוביאליים) .התאים לאחר שלב הגידול המואץ ,במצע ללא מזון ובתנאי רעב ועקה ,מייצרים מטבוליטים משניים ,לרוב ממטבוליטים ראשוניים או מתוצרי-ביניים של המטבוליזם הראשוני .לעיתים ,גם ישירות מחומרי-מוצא שנותרו במצע . למטבוליטים השניוניים יש חשיבות ביוטכנולוגית . אתרים בנושא הפרק/ מאמרים/ כתבות • גידול חיידקים http://www.textbookofbacteriology.net/growth.html http://www.answers.com/topic/bacterial-growth http://en.wikipedia.org/wiki/Bacterial_growth • חלוקת התא לשני תאי בת זהים http://www.studentsguide.in/microbiology/true-bacteria-eubacteria/binary-fission-in-bacteria.html http://staff.jccc.net/pdecell/celldivision/prokaryotes.html • שיטת חישוב קצב הגידול הספציפי וזמן הדור http://wvlc.uwaterloo.ca/biology447/modules/intro/bacterialgrowthrate.htm )• הנבגה (ספורולציה http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0072556781/192780/anim0008.swf http://www.chestnutlabs.com/microbiologyHighlights.html • גידול חיידקים בפרמנטור תעשייתי בביוטכנולוגיה http://www-bioc.rice.edu/bios576/nih_bioreactor/NDL_Bioreactor%20Page.htm • אוטוליזיס )http://en.wikipedia.org/wiki/Autolysis_(biology http://www.burgundy-report.com/ref/tech.html אידיופאזה ומטבוליטים שניוניים/ • טרופופאזה ומטבוליטים ראשוניים http://www.molecular-plant-biotechnology.info/applied-biotechnology/microbial-biotechnology/metaboliteproduction.html http://www.molecular-plant-biotechnology.info/applied-biotechnology/microbial-biotechnology/secondarymetabolites.html http://www-bioc.rice.edu/bios576/nih_bioreactor/NDL_Bioreactor%20Page.htm#growth http://books.google.co.il/books?id=C63mHbp1qZwC&pg=PA78&lpg=PA78&dq=idiophase&source=bl&ots=K H_jXvEtRp&sig=HPPgJNFg2RtTFXUSozWFIC1Rzeo&hl=iw&ei=_KKBSoKRFJSCnQPamLjnCw&sa=X&oi =book_result&ct=result&resnum=7#v=onepage&q=idiophase&f=false עקומת גידול של חיידקים:• אנימציה http://www.cellsalive.com/ecoli.htm • סרטונים על חלוקת התא לשני תאים http://www.youtube.com/watch?v=3cD3U2pgb5w http://www.youtube.com/watch?v=K0ZP8VtxUZ0&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=QrMoyOfim2s&feature=related http://www.tutorvista.com/content/biology/biology-iii/kingdoms-living-world/binary-fission.php )• סרטון על תהליך ההנבגה (ספורולציה http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072556781/student_view0/chapter3/animation_quiz_1.html
© Copyright 2024