Crescimento Populacional de BactriasIntroduo

Em procariotos, o termo crescimento indica aumento do nmero de clulas ou aumento da massa de uma populao, ou seja, crescimento populacional. Uma populao bacteriana um conjunto de indivduos da mesma espcie que se originaram da diviso de clulas individuais. Uma populao bacteriana pode existir na forma de clulas esparsas, em colnias ou formando biofilmes. Populaes bacterianas constitudas de clulas esparsas (livres), ou de organismos multicelulares, ocorrem na natureza em ambientes de gua doce ou salgada em amplos espectros de temperatura e presso hidrosttica.

A bactria consiste numa esfera formada por 20 clulas em mdia, como mostra a imagem por microscopia eletrnica. Os fiapos na superfcie correspondem aos flagelos. Pesquisadores do Instituto de Cincias Biomdicas e do Instituto de Microbiologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro encontraram um organismo multicelular constitudo de 15 a 20 clulas bacterianas em lagoas no Rio de Janeiro. A criatura foi encontrada em lugares como as lagoas de Araruama (a maior lagoa hipersalina do mundo, com concentrao de 7% de sal na gua), Maric e Rodrigo de Freitas (na capital fluminense). " isso a, ela d em qualquer lugar que tenha gua salobra e uma boa reserva de enxofre", diz Henrique Lins de Barros, do CBPF (Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas), um dos autores. A nova bactria foi chamada de "organismo multicelular magnetotctico", por ser sensvel a campos magnticos. Como ela ainda no foi cultivada em laboratrio e seu estudo ainda est em andamento, no foi possvel determinar sua espcie e lhe dar um nome cientfico. "O que sabemos at o momento que sua morfologia diferente das outras bactrias j analisadas. Podemos estar at observando um gnero novo". Colnias so agregados de centenas a milhares de clulas bacterianas, da mesma espcie, e que podem se originar a partir um nico indivduo.

Uma colnia formada por uma ou mais camadas de clulas aderidas entre si, sendo que a primeira camada de clulas se encontrada aderida a uma superfcie slida ou pastosa. Os indivduos de uma colnia exibem interaes celulares significativas e cooperao, mas tambm algum grau de competio. Biofilmes podem ser compostos por uma populao ou uma comunidade complexa de mltiplas espcies microbianas, muitas vezes em associao com fungos, embebidas em um material extracelular que funciona como uma interface que se adere a uma superfcie bitica ou abitica. Em um biofilme, as populaes e comunidades participantes so interdependentes funcionando, de forma complexa e coordenada, como um consrcio cooperativo.

Do ponto de vista bioqumico, cada clula bacteriana uma unidade cataltica. Quando uma bactria se divide, cada novo indivduo pode catalisar a biossntese de material celular adicional. Assim, o nmero de unidades catalticas aumenta com o tempo e, como conseqncia, biomassa sintetizada em uma taxa progressiva na populao em crescimento. Sob condies timas de crescimento, ou seja, condies fsicas, qumicas e nutricionais adequadamente balanceadas, muitas espcies bacterianas apresentam um tempo de gerao mdio de 20 minutos, ou seja, a cada 20 minutos uma nova gerao de indivduos produzida.

Neste caso, em uma cultura real, cada clula da populao se divide em algum momento dentro do tempo de gerao de 20 minutos, ou seja, 1/20 das clulas da populao se divide a cada minuto. Isto reflete uma situao natural denominada crescimento no-sincrnico. g=logN-logNo log2 Se num inoculo de 103 clulas (No) cresce exponencialmente at 1x109(N) cluas, ento: g= log(109)-log(103) = 9-3 = 20geraes log2 0,3 Se, este crescimento exigir 13,3 horas, a taxa de crescimento foi 20/13,3 ou 1,5geraes/h

Considerando-se uma populao bacteriana composta por milhares de indivduos em crescimento ativo por fisso binria, pode-se presumir que a cada tempo de gerao a populao dobra de tamanho. Isto decorre do modo de reproduo por fisso binria no qual a diviso de uma nica clula resulta em duas novas clulas. Estas dividir-se-o produzindo quatro novas clulas, as quais, dividindo-se, produziro oito novas clulas e assim por diante. Este tipo de crescimento denominado crescimento exponencial ou logartmico, no qual o nmero de indivduos dobra a cada gerao. Todas as formas de vida, incluindo a humana, so capazes deste tipo de crescimento populacional. As bactrias so organismos altamente adaptveis capazes de crescer utilizando um elevado nmero de distintas fontes de carbono e nitrognio e de ocupar uma variedade inesgotvel de nichos ecolgicos. A chave para a adaptabilidade bacteriana sua capacidade de expressar somente os genes para enzimas e vias bioqumicas que so requeridos para uma taxa mxima de crescimento no ambiente particular em que se encontram. Isto possvel por sua habilidade de reconhecer a composio qumica e fsica de seu ambiente percebendo sinais que emanam dele, por exemplo, a presena de um determinado acar, como a lactose.

Essa faculdade codificada por conjuntos de genes que somente se expressam quando necessrio. Portanto, o crescimento bem sucedido de uma populao bacteriana reflete seu grau de adaptao composio fsica e qumica de um determinado ambiente. As distintas espcies bacterianas diferem no mbito de fatores dentro dos quais podem crescer. Cada grupo bacteriano tem uma faixa de condies nas quais seu crescimento atinge uma taxa tima. Para se determinar s condies ambientais timas de crescimento considera-se o ambiente no qual a bactria normalmente encontrada. Contudo, isto problemtico, uma vez que mesmo um nico centmetro cbico de solo pode conter centenas de micro ambientes. Os limites ambientais nos quais os microrganismos podem viver e se reproduzir no so precisamente definidos. A grande maioria das bactrias conhecidas cresce na faixa de condies ambientais ocupada pela maioria das espcies vivas. Excepcionalmente, os procariotos pertencentes ao domnio Archaea podem viver em condies ambientais extremas tais como temperaturas atingindo 115C, sob altssimas presses hidrostticas a grandes profundidades marinhas, em valores

de pH prximos de zero e salinidade prxima do ponto de saturao. Princpios bsicos do crescimento bacteriano Toda bactria tem seu ambiente ideal onde encontra condies timas de crescimento Uma populao bacteriana um sistema dinmico, com clulas se dividindo e morrendo todo o tempo 1. Estudo do crescimento bacteriano Para se estudar o crescimento de uma bactria preciso cultiv-la, como cultura pura, em meios de cultura e condies ambientais que variam em condies qumicas e fsicas, tais como fontes de nutrientes, osmolaridade, pH, presena ou ausncia de oxignio e temperatura de incubao. Por exemplo, a bactria E. coli crescendo em um meio de cultura rico e sob condies aerbicas, atinge uma concentrao final de 2 a 5 X 109 clulas por ml em cerca de 12 a 18 horas.

Uma das abordagens mais comuns no estudo do crescimento bacteriano a obteno de curvas de crescimento. Estas so representaes grficas do aumento do nmero de indivduos em um determinado perodo de tempo (Figura 1).

Uma linha de tendncia passando pelos pontos do grfico uma curva exponencial e cada ponto por onde a curva passa indica o nmero terico de clulas, em um dado tempo.

A tendncia de crescimento representada na Figura 1 s pode ser mantida indefinidamente se houver um suprimento ilimitado de nutrientes, ambiente inaltervel e espao ilimitado.

Em ambientes naturais e em condies experimentais nas quais as disponibilidades de nutrientes e de espao sejam limitadas, em um dado momento algum fator se torna desfavorvel: um nutriente essencial torna-se escasso (fontes de energia, elementos-trao), produtos txicos do

metabolismo acumulam-se em concentraes que inibem a diviso celular, o espao torna-se limitado, etc. Quaisquer uma dessas situaes, isoladamente ou em conjunto, inibem o crescimento, provocando um declnio do nmero de clulas viveis na populao at o ponto em que esta se extinga completamente (Figura 2).

Em condies experimentais, quando se inocula uma populao bacteriana em um frasco contendo uma quantidade inaltervel de meio de cultura (sistema fechado), o crescimento dessa populao passa por quatro fases caractersticas, dependendo do ponto no qual o processo do crescimento seja interrompido pelo experimentador.

Essas quatro fases esto representadas na Figura 3. 2.1 Fases do crescimento bacteriano A curva de crescimento da Figura 3 representa as quatro fases do crescimento populacional bacteriano em uma situao prxima da real quando uma populao de bactrias cresce em um ambiente fechado (modelo baseado no cultivo da bactria E. coli em um meio de cultura rico e sob condies aerbicas).

a - Fase lag Fase de adaptao metablica ao novo ambiente; o metabolismo celular est direcionado para sintetizar as

enzimas requeridas para o crescimento nas novas condies ambientais encontradas pelas clulas. O nmero de indivduos no aumenta nesta fase, podendo at mesmo decrescer. A durao dessa fase depende das condies ambientais nas quais as clulas se encontravam anteriormente. A fase lag ser to mais longa quanto maiores as diferenas de composio do ambiente anterior ou se a populao for constitudo de bactrias esporuladas. b - Fase exponencial Fase na qual o nmero de clulas da populao dobra a cada gerao. Esta taxa de crescimento no pode ser mantida indefinidamente em um sistema fechado. Aps um determinado perodo de crescimento exponencial, as condies ambientais tornam-se desfavorveis pela escassez de nutrientes essenciais, acmulo de metablitos txicos e limitao de espao. medida que a disponibilidade de nutrientes diminui as clulas se tornam menos capazes de gerar ATP e a taxa de crescimento se reduz. A durao da fase exponencial altamente varivel dependendo tanto das caractersticas genticas da bactria quanto das condies ambientais.

c - Fase estacionria Fase em que a taxa de crescimento diminui significativamente devido s condies limitantes do meio. As clulas continuam metabolizando e se dividindo, mas parte das clulas torna-se invivel e a taxa de diviso celular muito prxima da taxa de morte celular, o que mantm constante o nmero de clulas viveis na populao. A curva de crescimento atinge um plat. A durao da fase estacionria depende do balano entre a taxa de diviso celular e o nmero de clulas que vo se tornando inviveis (morte celular ou incapacidade de se dividir) devido s condies ambientais tornarem-se progressivamente desfavorveis. d - Fase de declnio

Fase em as clulas perdem a capacidade de se dividir, a taxa de morte celular torna-se maior que a taxa de diviso e o nmero de clulas viveis decresce exponencialmente at a completa extino da populao. Nesta fase muitas clulas assumem formas incomuns. Em bactrias formadoras de esporos sobrevivem mais esporos que clulas vegetativas. A durao desta fase varivel dependendo tanto das caractersticas genticas da bactria quanto das condies ambientais.

2. Tempo de vida das bactrias Considerando-se uma clula isolada, o tempo de vida de uma bactria vai do trmino da diviso celular anterior at o final da prxima diviso. Uma populao indeterminado. de bactrias existe por tempo

3. Fatores que afetam o crescimento bacteriano Vrios fatores podem afetar o crescimento de uma populao bacteriana, incluindo: - o tipo de ambiente, - nmero de indivduos na populao, - interaes dinmicas com outras populaes bacterianas, - presena de outros microrganismos predadores, - fatores qumicos e fsicos tais como disponibilidade de nutrientes essenciais, temperatura, pH, osmolaridade, presso hidrosttica, concentrao de oxignio, luz, radiao ionizante ou ultravioleta, presena de metablitos txicos resultantes do metabolismo das clulas da populao em crescimento ou presena de agentes antimicrobianos tais como bacteriocinas e antibiticos.

Os microrganismos podem viver em um grande nmero de ambientes; para praticamente qualquer mudana ambiental h algum microrganismo que pode sobreviver. 3.1 Populao O tamanho da populao afeta o nmero de novas clulas que sero formadas. Se a populao aumenta, a taxa de crescimento tambm aumenta, resultando em crescimento exponencial, desde que haja disponibilidade de nutrientes e espao.

3.2 Nutrientes O crescimento bacteriano exige a disponibilidade de nutrientes essenciais, tais como fontes de carbono, nitrognio, fsforo, enxofre, ferro e outros minerais com os quais as bactrias podem sintetizar precursores de macromolculas orgnicas e vitaminas, ou quando incapazes da sntese de um precursor essencial este deve estar presente no meio de crescimento. As bactrias so grandemente diversificadas em relao aos seus requerimentos nutricionais, sendo que, para praticamente qualquer substncia h um microrganismo capaz de metaboliz-la como nutriente. A disponibilidade de nutrientes diminui medida que a populao aumenta de tamanho; enquanto houver um mnimo de nutrientes a populao continuar a crescer.

3.3 Temperatura

A temperatura pode ter efeitos positivos ou negativos sobre o crescimento de uma populao bacteriana. medida que a temperatura se aproxima de um valor timo, a taxa de crescimento aumenta rapidamente porque a cintica de reao das enzimas das clulas da populao aumenta de modo diretamente proporcional; as reaes qumicas tendem a ocorrer mais rapidamente com aumento da taxa de divises celulares. Contudo, h um limite alm do qual algumas macromolculas termos-sensveis tais como protenas, cidos nuclicos ou lipdios sero desnaturadas, perdendo sua funcionalidade. H, tambm, uma temperatura mnima para o crescimento, abaixo da qual a poro lipdica da membrana plasmtica no apresenta fluidez suficiente para funcionar apropriadamente (dificuldade na permeabilidade da membrana). Por temperatura tima de crescimento entende-se aquela em que as clulas dividem-se mais rapidamente, ou seja, apresentam um tempo de gerao mais curto. As temperaturas mnimas e mximas de crescimento so a menores e a maiores temperaturas que permitem a diviso celular nas bactrias. Freqentemente, a temperatura tima para o crescimento est mais prxima da mxima do que da mnima.

As diferentes espcies bacterianas diferem no espectro de temperatura na qual podem crescer. Quanto temperatura de crescimento, as bactrias foram agrupadas em quatro categorias: mesfilas, psicrfilas obrigatrias, psicrfilas facultativas e termfilas Bactrias mesfilas Bactrias mesfilas apresentam crescimento timo em temperaturas variando entre 25C e 40C, ou seja, a faixa de temperatura mais comum na superfcie da Terra e nos organismos animais. A maioria dos patgenos humanos apresenta crescimento timo em temperaturas prximas de 37C. Bactrias termodricas, tais como Bacillus cereus, Clostridium botulinum e Listeria monocytogenes, geralmente vivem como mesfilas, mas podem suportar temperaturas elevadas por curtos perodos de tempo. Se o processo de aquecimento de alimentos envasados em recipientes metlicos ou de vidro for inadequado, tais bactrias podem sobreviver e deteriorar o produto, representando uma sria ameaa segurana dos alimentos.

Bactrias psicrfilas obrigatrias

Bactrias psicrfilas obrigatrias requerem baixas temperaturas para seu crescimento; o crescimento timo se d abaixo de 15C. Algumas espcies marinhas toleram temperaturas negativas uma vez que a gua do mar permanece lquida em temperaturas abaixo de 0C. Tais organismos morrem quando expostos temperatura ambiente. Sua adaptao a baixas temperaturas devido ao alto contedo de cidos graxos insaturados em suas membranas. Estas molculas permanecem fluidas em temperaturas nas quais membranas contendo cidos graxos saturados no so funcionais. A bactria Bacillus globisporus no cresce em temperaturas acima de 20C. Bactrias psicrfilas facultativas

Bactrias psicrfilas facultativas ou psicrotrficas apresentam crescimento timo em temperaturas abaixo de 20C, mas podem crescer, embora mais lentamente, em temperaturas de refrigerador e tm alta probabilidade de contaminar e estragar produtos resfriados tais como alimentos (por exemplo, Bacillus cereus) e sangue.

Bactrias termfilas

Bactrias termfilas so aquelas cujas taxas de crescimento timo esto entre 50C e 60C; so encontradas em pilhas de adubo orgnico. Algumas espcies toleram temperaturas de at 110 C em fontes termais. As enzimas dos organismos termfilos apresentam propriedades de termo-estabilidade que lhes permitem atingir um pico de atividade entre 60C e 80C. Dentro dessa categoria encontram-se os organismos termfilos obrigatrios que s crescem em temperaturas acima de 37C e os termfilos facultativos que podem crescer em temperaturas abaixo de 37 C. A bactria Bacillus stearothermophillus cresce otimamente entre 65 e 75C, mas pode apresentar um pequeno crescimento e deteriorar alimentos em temperaturas em torno de 30C. Os esporos dessa bactria so utilizados para controlar o funcionamento de autoclaves em laboratrios de microbiologia. Dentre os termfilos obrigatrios encontram-se as bactrias hipertermfilas que apresentam crescimento timo em temperaturas em torno e acima dos 85C.

H apenas trs gneros de bactrias hipertermfilas: Aquifex, Thermocrinis e Thermotoga. A bactria Thermotoga maritima habita solos ocenicos aquecidos a 85C por atividade vulcnica. No se conhecem microrganismos eucariticos termfilos ou hipertermfilos. As enzimas dos organismos hipertermfilos - enzimas hipertermoflicas - apresentam propriedades de estrutura e funo excepcionais de alta termo-estabilidade e atividade tima em temperaturas acima de 70C. Algumas dessas enzimas so ativas em temperaturas que atingem 115C. Tanto enzimas termoflicas quanto hipertermoflicas no funcionam adequadamente sob temperaturas abaixo de 40C. Nenhuma espcie bacteriana pode tolerar a faixa inteira de temperatura em qualquer uma dessas categorias e muitas espcies toleram faixas de temperatura que se sobrepem entre uma categoria e outra. Nenhum psicrfilo sobrevive no corpo humano. Do ponto de vista prtico, altas e baixas temperaturas so utilizadas para evitar o crescimento de microrganismos. A refrigerao de alimentos a 4C impede o sua deteriorao por organismos psicrfilos e pela maioria da bactrias.

Mas, em casos de armazenamento por longos perodos de tempo, e se o material suportar congelamento, a temperatura ideal 30C negativos. Altas temperaturas so utilizadas para esterilizao de materiais, como aqueles utilizados em laboratrios e na prtica mdica. 3.4 pH A maioria das espcies bacterianas pode crescer em meios cujo pH esteja entre 5 e 9, faixa na qual encontra-se a maior parte dos ambientes naturais. A maioria das bactrias no crescem em valores de pH com uma unidade acima ou abaixo do seu pH timo. Quanto tolerncia ao pH, as bactrias podem ser classificadas em trs categorias: neutrfilas, acidfilas e alcalinfilas.

Bactrias neutrfilas

Bactrias neutrfilas crescem em faixas de pH entre 5,4 a 8,5. A maioria das bactrias apresenta um crescimento timo em ambientes cujo pH se aproxima da neutralidade.

A maioria das bactrias patognicas est includa nessa categoria.

Bactrias acidfilas

Bactrias acidfilas crescem em faixas de pH extremamente baixos, entre 0,1 e 5,4, como a bactria Helicobacter pylori que pode colonizar a parede estomacal. Algumas bactrias que reduzem enxofre a cido sulfrico podem gerar e tolerar condies em torno de pH 1.

Bactrias alcalinfilas

Bactrias alcalinfilas crescem em faixas de pH entre 8,5 e 11,5. A bactria Vibrio cholerae apresenta um crescimento timo em pH 9. A bactria oportunista Alcaligenes faecalis pode criar e tolerar condies alcalinas com pH 9 ou maior. Nenhuma espcie bacteriana pode tolerar a faixa inteira de pH em qualquer uma dessas categorias e muitas espcies toleram faixas de valores de pH que se sobrepem entre uma categoria e outra.

3.5 Oxignio A capacidade de crescer na presena ou ausncia de oxignio divide as bactrias em cinco grupos: aerbicas estritas, microaerfilas, anaerbicas facultativas, anaerbicas aerotolerantes, anaerbicas estritas. Bactrias aerbicas estritas

Bactrias aerbicas estritas crescem apenas onde h disponibilidade de oxignio, como por exemplo, as bactrias do gnero Pseudomonas. Bactrias microaerfilas

Bactrias microaerfilas requerem uma quantidade reduzida de oxignio; altas concentraes de oxignio lhes so txicas. As bactrias microaerfilas sobrevivem em ambientes com alta concentrao de dixido de carbono e baixas concentraes de oxignio, como por exemplo, as bactrias do gnero Campylobacter.

Bactrias anaerbicas facultativas

Bactrias anaerbicas facultativas utilizam oxignio em seu metabolismo energtico, mas tambm podem crescer na ausncia de oxignio. As bactrias Escherichia coli e espcies de Staphylococcus so encontradas no trato intestinal e urinrio onde h pouca disponibilidade de oxignio. Todas as bactrias pertencentes famlia Enterobacteriaceae so anaerbicas facultativas.

Bactrias anaerbicas aerotolerantes

Bactrias anaerbicas aerotolerantes suportam a presena de oxignio, sem utiliz-lo em seu metabolismo. Por exemplo, a bactria Lactobacillus acidophillus. Bactrias anaerbicas estritas Bactrias anaerbicas estritas no crescem na presena de oxignio que lhes txico. A maioria das espcies anaerbicas estritas encontrada no solo ou em micro-ambientes em organismos animais que tenham se tornado anaerbicos, como ferimentos profundos ou a juno das gengivas com os dentes.

So exemplos de organismos anaerbicos estritos as bactrias do solo Clostridium tetani (causadora do ttano), Clostridium botulinum (causadora do botulismo) e as bactrias associadas com doenas periodontais, como Porphiromonas gengivallis e Prevotella intermedia. A grande maioria das bactrias associadas aos intestinos de animais so anaerbicas estritas. Para o crescimento de bactrias anaerbicas estritas em laboratrio so requeridos procedimentos especiais de cultivo, tais como a excluso total do oxignio do meio e do ambiente de crescimento atravs do uso de agentes redutores que reajam com o oxignio gasoso. 3.6 Umidade Todas as clulas metabolicamente ativas requerem a presena de gua. Uma vez que os microrganismos esto expostos diretamente ao ambiente, a maioria das clulas vegetativas das bactrias sobrevive apenas algumas horas sem umidade. Na ausncia de umidade apenas endsporos bacterianos podem sobreviver. 3.7 Presso hidrosttica Presso hidrosttica a presso exercida pela gua parada sobre os corpos nela mergulhados.

A presso hidrosttica profundidade.

diretamente

proporcional

A presso dobra a cada aumento de dez metros na profundidade. Em um lago, a 50 metros de profundidade a presso hidrosttica equivalente a 32 atmosferas. Algumas espcies de bactrias, denominadas barfilas suportam altas presses em ambientes aquticos. Supe-se que altas presses sejam requeridas para manter a conformao espacial de suas membranas e enzimas. 3.8 Osmolaridade A presena de solutos na gua sais ou acares que provocam a difuso de gua para dentro ou fora da clula importante para a sobrevivncia de uma bactria. As bactrias adaptadas aos ambientes dos intestinos dos animais, por exemplo, apresentam crescimento timo em 0,15 M de cloreto de sdio (concentrao fisiolgica de sdio). J as bactrias marinhas esto adaptadas concentrao salina da gua do mar e seu crescimento inibido em concentraes maiores ou menores de sais.

Apenas um grupo de procariotos, os arqueas haloflicos extremos (por exemplo, Halobacterium sp) habitam ambientes hiper-salinos e no crescem em concentraes de cloreto de sdio inferiores a 1,5 M. Todos os hiper-haloflicos crescem em concentraes de sal prximas do ponto de saturao. Certas espcies de halobactrias sintetizam ATP usando energia luminosa. Este processo no envolve clorofila, mas uma protena ligada membrana plasmtica denominada de bacteriorodopsina.

3.9 Metabolismo e toxicidade medida que a populao aumenta de tamanho aumenta o consumo de nutrientes com conseqente aumento da produo de produtos secundrios do metabolismo. Esses metablitos, quando em baixos nveis tm pouco efeito nas taxas de divises celulares, mas em altas concentraes podem inibir a diviso celular ou mesmo matar as clulas, conseqentemente, diminuindo a taxa de crescimento da populao. Metablitos txicos se acumulam rapidamente em grandes populaes bacterianas. O metabolismo de todos os organismos gera produtos secundrios txicos a partir do oxignio. Tais metablitos so altamente reativos podendo destruir componentes celulares essenciais tais como protenas, cidos nuclicos e lipdios.

Com exceo das bactrias anaerbias estritas, todos os organismos sintetizam enzimas que detoxicam esses compostos, como por exemplo, as enzimas superxido dismutase, catalase e peroxidase. 3.10 Presena de agentes antimicrobianos Populaes bacterianas tm suas taxas de crescimento afetadas quando houver a presena de agentes antimicrobianos produzidos por outras populaes de microrganismos em ambientes naturais, tais como as bacteriocinas e antibiticos ou por antimicrobianos utilizados na antibioticoterapia para o tratamento de infeces bacterianas.