SỰ BIẾN DƯỠNG VÀ TĂNG TRƯỞNG CủA VI KHUẩN Người soạn: PGS-TS. Võ Thị Chi Mai MỤC TIÊU Sau khi học xong, sinh viên có khả năng: 1/ Liên hệ nhu cầu dinh dưỡng và các yếu tố tăng trưởng. 2/ Định nghĩa sự tăng trưởng của vi khuẩn và liệt kê các yếu tố ảnh hưởng. 3/ Mô tả chu trình hình thành nha bào – nảy mầm. 4/ Trình bày các giai đoạn tăng trưởng và mô tả toán học thế hệ vi khuẩn. 5/ Phân biệt môi trường nuôi cấy nhân tạo theo chức năng. I. SỰ BIẾN DƯỠNG I.1. ĐẠI CƯƠNG VỀ BIẾN DƯỠNG Sự đồng hóa (anabolism) Sự dị hóa (catabolism) Vận chuyển điện tử Sự oxid hóa và sự khử. I.2. CÁC TÝP BIẾN DƯỠNG CỦA VI KHUẨN Vi khuẩn tự dưỡng Vi khuẩn dị dưỡng: Trong y học hầu hết vi khuẩn gây bệnh thuộc loại hóa dị dưỡng. I.3. SỰ LÊN MEN VÀ SỰ HÔ HẤP Sự lên men: chuỗi phản ứng kỵ khí. Chất nhận điện tử là hợp chất hữu cơ. Sự hô hấp: Hiếu khí, oxygen được dùng làm chất nhận điện tử cuối cùng. Kỵ khí, dùng các hợp chất vô cơ của oxygen, như nitrate, sulfate, làm chất nhận điện tử cuối cùng. I.4. Ý NGHĨA CỦA SỰ DỊ HÓA: THU GIỮ NĂNG LƯỢNG Một phân tử glucose tạo 38 ATP bằng biến dưỡng hiếu khí nhưng chỉ có 2 ATP bằng biến dưỡng kỵ khí. I.5. SỰ ĐỒNG HÓA: sinh tổng hợp. Sinh tổng hợp chất đường Sinh tổng hợp amino acid II. SỰ TĂNG TRƯỞNG II.1. ĐỊNH NGHĨA Sự tăng trưởng của vi khuẩn là sự gia tăng có thứ tự các thành phần cấu tạo của tế bào vi khuẩn. Sự sinh sản của vi khuẩn là hậu quả sự tăng trưởng. 1 II.2. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG SỰ TĂNG TRƯỞNG Yếu tố lý hóa pH: Vi khuẩn có một pH tối ưu ở đó chúng tăng trưởng tốt nhất. pH tối ưu này thường gần với độ trung tính. Sự sai biệt 1 đơn vị pH so với pH tối ưu cũng gây khó khăn cho sự tăng trưởng của vi khuẩn. Ưa acid, ưa kiềm, hoặc ưa trung tính Nhiệt độ: Ưa lạnh, ưa nóng hay ưa ấm. Ngoài ra cũng có nhóm vi khuẩn chịu nhiệt (thermotolerant) thích hợp nhiệt độ trung bình nhưng cũng có thể sống được ở nhiệt độ đến 550C. Oxygen: Hiếu khí, cần có oxygen. Kỵ khí, không cần oxygen. Ơ giữa hai cực này là nhóm vi hiếu khí, kỵ khí tùy nghi, và kỵ khí dung nạp oxy. Trong số những nhóm vi khuẩn trên đây, vi khuẩn kỵ khí tùy nghi có hệ thống enzyme phức tạp nhất. Độ ẩm: Khi thiếu nước sẽ xảy ra hiện tượng loại nước khỏi tế bào vi sinh vật, trao đổi chất bị giảm và tế bào chết. Bức xạ: Ánh sáng có thể gây nên những biến đổi hoá học và do đó gây những tổn thương sinh học nếu được tế bào hấp thụ. Mức gây hại của ánh sáng tuỳ thuộc vào mức năng lượng trong lượng tử ánh sáng được hấp thụ, nghĩa là phụ thuôc gián tiếp vào độ dài bước sóng của tia chiếu. Các tia vũ trụ, tia X thuộc dạng bức xạ ion hoá. Những bức xạ không ion hóa có bước sóng lớn hơn. Yếu tố dinh dưỡng Đa số vi khuẩn gây bệnh đều lấy thức ăn từ môi trường bên ngoài. Muốn tăng sinh vi khuẩn chúng ta phải cung cấp cho vi khuẩn đầy đủ điều kiện cần thiết. II.3. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT SỰ TĂNG TRƯỞNG Có 2 phương pháp khảo sát sự tăng trưởng của vi khuẩn. Phương pháp xác định tỷ trọng: xác định trọng lượng khô của tế bào trong một đơn vị thể tích môi trường lỏng. Phương pháp xác định nồng độ tế bào: Đếm dân số vi khuẩn hoặc đo độ đục vi khuẩn qua sự hấp thu hay phân tán ánh sáng. II.4. THẾ HỆ VI KHUẨN Số thế hệ Số vi khuẩn sau mỗi thế hệ khi bắt đầu với 0 1vi khuẩn 5 vi khuẩn N0 1 2 = 21 10 = 5  21 2N0 = N0  21 2 4 =22 20 = 5  22 4N0 = N0  22 3 8 = 23 40 = 5  23 8N0 = N0  23 4 16 = 24 80 = 5  24 16N0 = N0  24 n 2n 5  2n N0  2n 2 Trong đó: N0 N n g t Suy ra: : số vi khuẩn lúc bắt đầu nghiên cứu : số vi khuẩn sau n thế hệ : số thế hệ : thời gian cho mỗi thế hệ : thời gian cho n thế hệ g = (t log2) (log N - log N0 ) Thí dụ: E.coli có thời gian thế hệ khoảng 13-17 phút, còn M.tuberculosis chừng 18 giờ. II.5. ĐƯỜNG TĂNG TRƯỞNG Ta có thể chia đường tăng trưởng làm 4 thời kỳ chính: Thời kỳ tiềm ẩn [A] (the lag phase) Hình 6 : Đường tăng trưởng của vi khuẩn Thời kỳ lũy thừa [C] (the exponential phase) Thời kỳ ổn định cực đại [E] (the maximum stationary phase) Thời kỳ suy thoái [F] (the phase of decline) III. ỨNG DỤNG: III.1. LƯU GIỮ TẾ BÀO Ở THỜI KỲ LŨY THỪA Bình chemostat Bình turbidostat III.2. NGUỒN DINH DƯỠNG CỦA VI KHUẨN III.2.1. CHẤT DINH DƯỠNG SINH NĂNG Chất dinh dưỡng sinh năng gồm chất hữu cơ như các amino acid, đường và chất vô cơ như CO2, SO4, NO3. III.2.2. CHẤT DINH DƯỠNG TẠO NGUYÊN SINH CHẤT Nguồn carbon: Một số vi sinh vật “khó tính” ngoài nguồn carbon được cung cấp còn đòi hỏi trong khí trường lượng CO2 từ 5-10% để kích thích sự sống lúc ban đầu. Nguồn nitơ: Vi khuẩn cần nitơ để tổng hợp enzyme, các protein khác, và acid nucleic. Nguồn lưu huỳnh và phospho: Cung cấp lưu huỳnh dưới dạng sulfur hữu cơ như R-SH hay 3 SH2, hoặc dạng vô cơ như SO4. Phospho luôn được thu nhận dưới dạng phosphate. Nước: Là thành phần quan trọng, chiếm 80 - 90% trọng lượng tế bào. III.2.3. CÁC CHẤT KHÁC Nguồn kim loại: Một số kim loại cần cho hoạt động của enzyme: Mg2+, Fe2+, Ca2+. Một số là chất vi lượng (oligo-elements). Yếu tố tăng trưởng: là hợp chất hữu cơ cần thiết cho sự tăng trưởng của vi khuẩn nhưng tế bào vi khuẩn không có khả năng tổng hợp được. Mỗi loại vi khuẩn khác nhau cần những yếu tố tăng trưởng khác nhau. Vitamin. III.3. MÔI TRƯỜNG CẤY VI KHUẨN Môi trường phân biệt (differential medium) Môi trường chọn lọc (selective medium) Môi trường (chọn lọc) phong phú (enrichment medium) Môi trường chuyên chở (transport medium) IV. SỰ TẠO NHA BÀO VÀ SỰ NẢY MẦM IV.1. TẠO NHA BÀO: cơ chế bảo vệ và tồn tại. IV.1.1. Khi bắt đầu tạo nha bào, DNA được sao chép, trở nên một sợi dài và làm thành một trục nhân đậm đặc. Hai nhiễm sắc thể sau khi được sao chép thì tách rời và di chuyển về những vị trí khác nhau trong tế bào. DNA ở vị trí thành lập nha bào sẽ điều khiển quá trình này. IV.1.2. Hầu hết RNA và protein tế bào chất tụ tập chung quanh DNA để làm thành lõi chính là phần sống của nha bào. Lõi chứa dipicolinic acid và ion calci góp phần đề kháng với sức nóng bằng cách ổn định cấu trúc protein. IV.1.3. Một vách ngăn gồm có màng tế bào nhưng không có vách xuất hiện gần lõi, bao bọc nó với độ dày gấp đôi màng tế bào. Hai lớp này của màng tổng hợp peptidoglycan và phóng thích nó vào khoảng giữa màng. Như thế lớp vỏ được hình thành. Vỏ bảo vệ cho lõi khỏi bị thay đổi áp suất thẩm thấu. IV.1.4. Một áo ngoài bằng protein giống keratin được sinh ra quanh vỏ. Ao ngoài này trơ với nhiều loại hóa chất. IV.1.5. Cuối cùng, tế bào tạo ra một màng lipoprotein bên ngoài áo được gọi là thể ngọai bào tử. Trong điều kiện thí nghiệm sự tạo nha bào kéo dài khoảng 7 giờ. IV.2. SỰ NẢY MẦM IV.2.1. Giai đoạn hoạt hóa, thường đòi hỏi yếu tố gây chấn thương. IV.2.2. Thời kỳ nảy mầm chính thức cần có nước và tác nhân kích thích. IV.2.3. Cuối cùng sự tăng trưởng xuất hiện trong môi trường đầy đủ thức ăn. Protein và RNA được tổng hợp, và trong khoảng 1 giờ sự tổng hợp DNA bắt đầu. V. SỰ CHẾT CỦA VI KHUẨN Đối với tế bào vi khuẩn, CHẾT có nghĩa là mất vĩnh viễn khả năng sinh sản (tăng trưởng và phân chia). Thí nghiệm tùy thuộc vào sự lựa chọn môi trường cấy và điều kiện cấy; những điều kiện ủ vi khuẩn. 4  ... số chất vi lượng (oligo-elements) Yếu tố tăng trưởng: hợp chất hữu cần thiết cho tăng trưởng vi khuẩn tế bào vi khuẩn khả tổng hợp Mỗi loại vi khuẩn khác cần yếu tố tăng trưởng khác Vitamin III.3... HƯỞNG SỰ TĂNG TRƯỞNG Yếu tố lý hóa pH: Vi khuẩn có pH tối ưu chúng tăng trưởng tốt pH tối ưu thường gần với độ trung tính Sự sai biệt đơn vị pH so với pH tối ưu gây khó khăn cho tăng trưởng vi khuẩn. .. V SỰ CHẾT CỦA VI KHUẨN Đối với tế bào vi khuẩn, CHẾT có nghĩa vĩnh vi n khả sinh sản (tăng trưởng phân chia) Thí nghiệm tùy thuộc vào lựa chọn môi trường cấy điều kiện cấy; điều kiện ủ vi khuẩn