Curva del Crecimiento Bacteriano.

La curva del crecimiento bacteriano resulta de la representación gráfica de la determinación periódica del número de células viables por mililitro que existen en un líquido inoculado con células microbianas provenientes de un cultivo que ha crecido previamente hasta la saturación.

Dicha curva se divide en seis fases, como se representa en la figura, mismas que se simbolizan con letras de la A a la F. A continuación también se muestra un cuadro con las características principales de cada fase y se desarrollan las fases más relevantes.

Parte de la Curva Fase Tasa de Crecimiento.

A Rezago Cero

B Aceleración Creciente

C Exponencial Constante

D De retraso Decreciente

E Estacionaria máxima Cero

F Declinación Negativa (muerte)

A : Fase de Rezago.

Este periodo consiste en la adaptación de las células microbianas a su nuevo ambiente. En esta fase, las células microbianas se encuentran empobrecidas en cuanto a metabolitos y enzimas, esto debido a las condiciones desfavorables que representaba el cultivo previo.

Por lo anterior, en este lapso de tiempo se forman las enzimas y los metabolitos intermedios hasta alcanzar las concentraciones necesarias para reiniciar el crecimiento.

Este periodo se puede prolongar en el caso de que el medio de cultivo previo y las condiciones actuales resulten tan diferentes que las células sean genéticamente incapaces de sobrevivir, por lo que sólo unas cuantas mutantes podrán subsistir, y obviamente se requerirá más tiempo para que éstas se multipliquen lo suficiente y sea notorio el aumento de células.

C : Fase Exponencial.

Como el nombre lo indica, en esta fase las células se encuentran en un estado de crecimiento sostenido.

Se sintetiza nuevo material celular a una tasa constante, pero éste material es en sí catalítico y la masa aumenta de manera exponencial. Lo anterior continua hasta que uno o más nutrimentos se agoten, o hasta que se acumule tal cantidad de metabolitos tóxicos que se inhiba el crecimiento. El nutrimento limitante para los organismos aerobios suele ser el oxígeno : cuando la concentración bacteriana es de aproximadamente 1 x 107 / ml es necesario incrementar el ingreso de oxígeno mediante agitación o burbujeo ; pero cuando la concentración alcanza 4 o 5 x 109 bacterias por ml, la tasa de difusión de

oxígeno no puede satisfacer las demandas aun en un medio aireado, por lo que el crecimiento disminuye progresivamente.

Durante el crecimiento exponencial, la tasa de crecimiento de las células (medida en gramos de biomasa producida por hora), cuando el crecimiento no es limitado por los nutrimentos, se puede obtener multiplicando la constante de la tasa de crecimiento (k) por la concentración de biomasa. La constante de la tasa de crecimiento es la tasa a la cuál las células producen más células, y el valor que esta toma se interpreta como los gramos de biomasa producidos por cada gramo de biomasa preexistente creados en una hora.

El crecimiento se denomina exponencial porque la biomasa se incrementa exponencialmente con respecto al tiempo. De lo anterior se deriva que, si graficamos el logaritmo de la concentración de la biomasa (o celular) en función del tiempo, como ocurre en la curva del crecimiento, obtendremos una línea recta como representación de esta fase.

Esta fase puede prolongarse indefinidamente si las células se transfieren repetidamente a un medio nuevo (fresco) de composición idéntica al anterior, lo cual se logra de manera automática mediante dos aparatos : el quimiostato y el turbidostato.

E : Fase Estacionaria Máxima.

Como se explicó en la descripción de la fase anterior, ante el agotamiento de nutrimentos en el medio o la acumulación de metabolitos tóxicos el crecimiento cesa por completo después de un periodo de decrecimiento en la tasa de crecimiento, lo cual corresponde a la fase D o de retraso.

No obstante, por lo general en esta fase se puede observar recambio celular, lo cual se debe a que, aunque existe una pérdida lenta de células por muerte, dicha pérdida se compensa exactamente por la formación de nuevas células a través de crecimiento y divisón. Así, la cifra de células viables se mantiene constante, aunque en realidad en el conteo aumente poco a poco el número de células, si se cuentan también las muertas.

Para comprender lo anterior debemos considerar que, para una célula microbiana, muerte significa la pérdida irreversible de la capacidad para reproducirse (crecer y dividirse), lo cuál se comprueba cuando una célula es incapaz de producir una colonia en cualquier medio. De lo anterior se deriva que designar a una célula microbiana como muerta no implica su destrucción física.

La duración de esta fase depende de la naturaleza del microorganismo y de las condiciones del medio.

F : Fase de Declinación.

Esta fase, también conocida como fase de muerte, representa el decremento de células debido al aumento progresivo de la tasa de mortalidad, misma que tarde o temprano alcanza un valor sostenido.

Por lo general, una vez que la mayoría de las células ha muerto, la tasa de mortalidad disminuye bruscamente, por lo que un número pequeño de sobrevivientes pueden persistir en cultivo por meses o años. Dicha persistencia puede deberse a que las células consiguen crecer gracias a los nutrimientos liberados por las células que mueren y se lisan, observándose recambio celular.

Bibliografía.

Brooks, et. al., “Microbiología Médica de Jawetz, Melnick y Adelberg”, 16a ed., Manual Moderno, México, 1999.

Curva de Concentración Celular

El crecimiento bacteriano, o mejor, la curva del crecimiento bacteriano.

El ganador del premio Nobel de Medicina Jacques Monod resume en este artículo publicado en 1949 (¿no les dije? De mucha actualidad), un hecho bien conocido en el campo de la microbiología: La curva de crecimiento bacteriano. Hoy utilizaré esta sencilla analogía para explicar fenómenos históricos que normalmente serían complicados de explicar de otra manera. Prestaremos más atención a los conceptos en lugar de las particularidades.

Las bacterias se reproducen de manera asexual, o sea mediante fisión binaria. Esta se refiere a la repartición equitativa de sus componentes celulares y copias exactas de su material genético en dos células hijas. Aunque las bacterias también intercambian material genético a través de mecanismos similares al sexo (como por ejemplo para adquirir resistencia a los antibióticos), no trataré este punto a pesar de su obvio interés. Baste decir que cuando existen condiciones ??ptimas de alimento, acidez, oxígeno y humedad, las bacterias toman nutrientes, aumentan su tamaño, duplican su material genético y lo reparten por igual en dos células hijas de igual tamaño y cada una portando una copia de su ADN. Si las condiciones se mantienen, cada célula hija sería capaz de originar otras 2 células hijas. En el caso de Escherichia coli, un habitante de nuestro intestino, tarda aproximadamente media hora en dividirse bajo condiciones óptimas.

La siguiente tabla y video resumen el proceso:

División número

Número de células

0 1

1 (primera división) 2

2 (segunda división) 4

3 8

4 16

5 32

n 2n

La conclusión es que por n número de divisiones, habrá teóricamente 2n células asumiendo que las condiciones óptimas se mantengan.El hecho que podamos calcular el número esperado de bacterias luego de determinado número de divisiones con elevar la base 2 al exponente n, es lo que define aquella parte de la curva de crecimiento bacteriano llamada EXPONENCIAL o logarítmica (recordemos que el término ‘logarítmo’ es sinónimo de ‘exponente’).

Pero esta etapa corresponde sólo a aquel trozo de la curva demarcada con el número 3 (ver abajo). Monod nos resume las otras etapas previas y posteriores al crecimiento exponencial que también son muy interesantes. Vamos a anotar algunas características para entender que sucede.

Etapa 1 o etapa de adaptación. Si uno mira la linea que se mueve de izquierda a derecha sin observarse ni aumento ni disminución de la densidad bacteriana, da la sensación que nada está pasando. Pero no ¡muchísimo está pasando!. De aquí Jacques Monod sacó junto con su colega Francois Jacob el Premio Nobel. Resulta que las bacterias fundadoras las que seguramente estaban descansando en algún lugar y fueron puestas en condiciones de cultivo, y lo primero que hacen es averiguar qué comida hay, qué recursos

pueden utilizarse y basadas en esto proceden a adaptar su maquinaria metabólica para aprovechar los recursos disponibles. Hacen lo del dicho “Si del cielo te caen limones, aprende a hacer limonada”. Los microbiólogos Jacques Monod y Francois Jacob fueron premiados por descubrir el mecanismo genético (el famoso operon lac) que permite a las bacterias ‘hacer limonada’ si ‘del cielo les caen limones’. Entonces, aunque aparentemente no está pasando nada, está sucediendo un proceso de adaptación muy importante para hacer mejor uso de los recursos disponibles.Etapa 2 o de aceleramiento del crecimiento. En esta etapa las bacterias ya han adaptado su maquinaria metabólica que les permitirá utilizar el carbono y aminoácidos disponibles. Ya algunas bacterias se multiplican mientras otras vienen rezagadas y por eso la curva se ve ascendente pero no es una línea recta. ¿Sabían que en geometría las curvas pueden ser líneas rectas y las líneas rectas curvas? Sí, es verdad, porque depende de la escala en que se haga la gráfica. Es como darle la vuelta al mundo: no se tiene la sensación de dar la curva a pesar de estar yendo en linea recta.Etapa 3 o de crecimiento exponencial o logarítmico. Es la etapa más famosa por la impresión que causa. Y la más temible. De hecho, es la que motiva que escriba estas líneas. Su cinética tan matemáticamente atractiva será el tema de una serie de videos muy reveladora. Aquí las bacterias consumen a un ritmo constante los recursos, crecen a un ritmo constante y dan origen a las células hijas que repiten el ciclo a una velocidad constante gracias a la abundancia de recursos,están y se creen las dueñas del Jardín del Edén. Cuando esta curva se grafica en papel logarítmico y se mantiene el tiempo a escala lineal, se observa como una línea recta ascendente, pero si se grafica en escala lineal vemos que los números suben vertiginosamente y atraviesan el techo, entonces ahí si formarían una curva.Etapa 4 o de desaceleración del crecimiento. Las bacterias que venían creciendo a un ritmo sostenido gracias a la abundancia de recursos, deben desacelerar cuando éstos se agotan, los desperdicios se acumulan, la acidez aumenta, el oxígeno no se puede utilizar. Algunas bacterias dejan de crecer, otras crecen más lentamente y otras logran captar algunos recursos y pueden seguir creciendo. Por eso la curva se observa nuevamente curva, pero aplanándose esta vez. Es la víspera del ocaso.Etapa 5 o fase estacionaria. En esta fase hay agotamiento de recursos, la mayoría de bacterias están vivas pero ya no pueden ‘tener hijas’. Se mantienen vivas de milagro, consumen lo mínimo necesario para subsistir. Viven del rebusque, algunas logran adaptarse, cortan gastos supérfluos, dejan de comer tanto o comen carroña, consumen menos oxígeno, pierden peso pero llegado el caso que mejorasen las condiciones podrían superarse (starvation

survival). Ejemplos sonlos enquistamientos y esporulación de Bacillus subtilis. Hay otras menos afortunadas, la escacés las deja marcadas y deciden hibernar. Luego si las condiciones mejoran estas bacterias no pueden reproducirse, estado conocido como “Viable Pero No Cultivable” de Vibrio vulnificus. Sin embargo, si los recursos han sido agotados ni siquiera estas hibernaciones son suficientes para evitar la muerte.Etapa 6 o fase de muerte. En esta fase se evidencia otro terrible desenlace: la muerte. Es cierto que algunas bacterias pueden entran en estados de recesión económica pero muchas no logran adaptarse y sucumben a la acumulación de desechos tóxicos, ausencia de fuentes de carbono asimilables, acidez, falta de oxígeno y muchos otros. Al final, la vida no se sostiene de la nada.Habiendo introducido esta curva podremos hablar del crecimiento poblacional en similares escenarios, la pregunta que queda es: ¿hay evidencia de estas etapas en poblaciones humanas?. La respuesta corta es sí. Pero es más interesante la respuesta larga. En otros posts examinaremos en mamíferos y humanos las etapas más interesantes de esta curva. Concentraremos nuestra atención en la etapa de crecimiento logarítmica (etapa vegetativa) y del colapso poblacional por ser las más interesantes.