Cálculo da taxa específica de crescimento

Cálculo da taxa específica de crescimento

Fig. 3 - Comparação entre a curva aritmética (a laranja) e a curva logarítmica (a azul) do aumento do número total de células ao longo do tempo durante a fase do crescimento exponencial.
  • Para uma população de células em crescimento exponencial, se representarmos graficamente os valores do número de células em função do tempo de crescimento, obtém-se uma função exponencial (representação aritmética no gráfico acima). Esta é representada pela equação (1):

(1) crescimento exponencial

  • que traduz o carácter exponencial do crescimento microbiano, e onde Nt é a concentração de células no tempo e N0 é a concentração de células no inicio do crescimento exponencial.
  • Se aplicarmos logaritmos naturais de um e do outro lado da equação (1), obtém-se:

(2) 	Se aplicarmos logaritmos naturais de um e do outro lado da equação (1),

  • onde μ é a taxa específica de crescimento do microrganismo em causa, nas condições de crescimento testadas (as suas unidades são o  inverso do tempo; por exemplo h-1, m-1). Este parâmetro do crescimento, que reflecte a sua cinética, corresponde ao declive da recta que resulta da representação gráfica do logaritmo natural do número de células em função do tempo (representação logarítmica no gráfico acima).
  • A taxa específica de crescimento está relacionada com o número de gerações (ou o tempo de cada geração) que ocorrem por unidade de tempo numa cultura em crescimento exponencial. De facto, quanto maior for a taxa específica de crescimento, mais rapidamente se divide a população, maior é o número de gerações que ocorrem no mesmo período de tempo e menor é o tempo de cada geração. A partir dos resultados de uma experiência de crescimento como os apresentados, é possível calcular o valor da taxa específica de crescimento da população microbiana.

taxa específica de crescimento da população microbiana

  • Assim, se considerarmos os resultados experimentais apresentados na tabela acima (representados graficamente na figura acima), o valor da  taxa específica de crescimento, μ, pode ser calculado com base numa análise de regressão linear dos valores de lnNt e t correspondentes à fase de crescimento exponencial. O valor de μ corresponde ao declive da recta representada pela equação (2) (não é de esperar que os resultados experimentais se possam alinhar sobre a recta representada). Uma estimativa mais grosseira do valor deμ pode ser obtida do seguinte modo:

análise de regressão linear dos valores de lnNt e t correspondentes à fase de crescimento exponencial

  • taxa específica de crescimento e o tempo de duplicação ou geraçãode uma população microbiana estão intimamente relacionados entre si e o valor de um pode ser calculado a partir do conhecimento do valor do outro, com base na equação (3):

(3) 	A taxa específica de crescimento e o tempo de duplicação ou geração

  • que se obtém por substituição de Nt = 2 N0 (que traduz uma duplicação celular) e t = g na equação (2)).

Crescimento microbiano em biofilmes

A maior parte da actividade bacteriana na natureza ocorre, não com as células individualizadas, mas com as bactérias organizadas em comunidades sob a forma de um biofilme. Esses biofilmes são constituídos por uma comunidade estruturada de células aderentes a uma superfície inerte (abiótica) ou viva (biótica), embebidas numa matriz de exopolissacárido. A associação dos organismos em biofilmes constitui uma forma de protecção ao seu desenvolvimento, fomentando relações simbióticas e permitindo a sobrevivência em ambientes hostis.

Em ecossistemas aquáticos, mais de 99,9% das bactérias crescem em biofilmes associadas a uma grande variedade de superfícies. No Homem, a variedade de infecções bacterianas crónicas envolvendo biofilmes é bastante significativa, podendo estas ser causadas por uma única ou mais espécies (consultar o tópico Formação de biofilmes e envolvimento em infecções humanas). Os biofilmes mais comuns na natureza são heterogéneos, compostos por duas ou mais espécies, podendo os produtos do metabolismo de uma espécie auxiliar o crescimento das outras e a adesão de uma dada espécie fornecer ligandos que promovem a ligação de outras. Inversamente, a competição pelos nutrientes e a acumulação de metabolitos tóxicos produzidos pelas espécies colonizadoras poderão limitar a diversidade de espécies num biofilme.

Através de técnicas microscópicas, tem sido possível observar a grande heterogeneidade espacial dos biofilmes, em que coexistem células em diferentes estados fisiológicos. Esta heterogeneidade constitui uma importante estratégia de sobrevivência porque essas células terão maior probabilidade de sobreviver a agressões externas.

Etapas de desenvolvimento de um biofilme

1. Adesão a uma superfície

O padrão de desenvolvimento de um biofilme envolve várias etapas: a adesão inicial à superfície, seguida da formação de microcolónias e, na maioria dos casos, a diferenciação das microcolónias em macrocolónias envolvidas numa matriz de exopolissacárido, formando biofilmes maduros (figura 1).

Etapas de desenvolvimento de um biofilme

Fig. 1 - Representação esquemática das várias etapas de desenvolvimento de um biofilme de acordo com o modelo aceite para Pseudomonas aeruginosa (adaptado de Ghigo et al., 2003Descrição: Link externo).

A adesão de uma bactéria a uma superfície abiótica é, geralmente, mediada por interacções inespecíficas (e.g., forças hidrofóbicas), enquanto que a adesão a um tecido vivo ou desvitalizado é normalmente mediada por mecanismos moleculares específicos de “ancoragem”, nomeadamente através de lectinas, ligandos ou adesinas. A adesão primária de um organismo a uma superfície é um processo reversível que envolve a aproximação deste à superfície, de forma aleatória ou através de mecanismos de quimiotaxia e de mobilidade (etapa I da figura 1). Quando o microrganismo atinge uma proximidade crítica da superfície, a ocorrência de adesão depende do balanço final entre forças atractivas e repulsivas (e.g. interacções electrostáticas e hidrofóbicas, forças de Van der Waals, impedimento estereoquímico, etc) geradas entre as duas superfícies. A repulsão entre duas superfícies pode ser ultrapassada através de interacções moleculares específicas mediadas por adesinas, que são proteínas localizadas em estruturas que irradiam da superfície celular. Foi ainda demonstrado que os mecanismos de mobilidade das células, dependentes de pili superficiais e do flagelo polar são fundamentais no processo de iniciação de um biofilme.

2. Maturação do biofilme

Após a adesão primária, as células fracamente ligadas consolidam o processo de adesão produzindo exopolissacáridos que complexam os materiais da superfície e os receptores específicos localizados nos flagelos, Pili ou fímbrias. Na ausência de interferência mecânica ou química, a adesão torna-se, nesta fase, irreversível (etapa II da figura 1). Durante este estágio de adesão, os microrganismos individualizados ou planctónicos podem “colar-se” uns aos outros, formando agregados na superfície a que aderem. Após a adesão irreversível da bactéria à superfície, inicia-se o processo de maturação do biofilme (etapas III e IV da figura 1). A densidade e complexidade do biofilme aumenta à medida que as células se dividem (ou morrem) e os componentes extracelulares gerados pelas bactérias interagem com moléculas orgânicas e inorgânicas do ambiente circundante para formar o glicocálix. Nesta fase, os biofilmes tornam-se altamente hidratados, formando-se estruturas abertas compostas por 73 a 98% de material não celular, incluindo exopolissacárido e canais por onde circulam os nutrientes.

O crescimento de qualquer biofilme é limitado pela disponibilidade de nutrientes no ambiente circundante e pela sua propagação a células localizadas no interior do biofilme. Factores como o pH, difusão de oxigénio, fonte de carbono e osmolaridade controlam também a maturação do biofilme Quando completamente maduro, o biofilme funciona como um consórcio funcional de células, com padrões de crescimento alterados, cooperação fisiológica e eficiência metabólica. Nesta fase, as células localizadas em regiões diferentes do biofilme exibem diferentes padrões de expressão genética.

3. Ruptura do biofilme

Quando o biofilme atinge uma determinada massa crítica e o equilíbrio dinâmico é alcançado, as camadas mais externas do biofilme começam a libertar células em estado planctónico, que se podem rapidamente dispersar e multiplicar, colonizando novas superfícies e organizando novos biofilmes em novos locais (etapa V da figura 1). Com a ausência de nutrientes e/ou de oxigénio ou dificuldades na sua difusão, a diminuição do pH e a acumulação de metabolitos secundários tóxicos, inicia-se um processo de morte celular junto à superfície e subsequente desintegração do biofilme.

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