O Crescimento Microbiano

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As células param de crescer e entram em fase estacionária por várias razões. Dentre elas estão, exaustão de nutrientes, limitação de oxigênio e acumulação de produtos tóxicos.

A fase de morte pode ocorrer devido a ação de enzimas autolíticas ou depleção de energia celular. Algumas bactérias começam a morrer dentro de horas após o início da fase estacionária. Outras permanecem viáveis por um longo período. Isto ocorre porque algumas bactérias esporulam ou formam cistos quando o crescimento cessa. Esporos e cistos permanecem viáveis e germinam na presença de meio novo. Existem algumas bactérias que se adaptam a depleção de nutrientes e permanecem viáveis em fase estacionária por longos períodos mesmo sem a formação de cistos e esporos.

É importante lembrar que mesmo após o fim da fase exponencial de crescimento, as células continuam a se dividir. Isto pode ser visto como uma vantagem para uma população de bactérias, pois mais células podem ser produzidas para uma distribuição para novos locais, onde as condições para a continuidade do crescimento podem ser melhores.

Respostas adaptativas a limitações nutritivas

Em ambientes naturais, as bactérias estão freqüentemente sob condições limitantes de nutrientes e entram em períodos intermitentes de pouco ou nenhum crescimento. Sendo assim, a condição normal de microrganismos em ambientes naturais é a fase estacionária. Existem várias respostas adaptativas para as limitações nutritivas.

Indução de sistemas de absorção de alta afinidade: faz com que todo o nutriente essencial disponível em pequena quantidade seja esgotado, podendo induzir a síntese de enzimas que usam como substrato uma fonte alternativa do nutriente que está escasso.

Esporulação e formação de cistos: em alguns casos de falta de nutrientes, a população de microrganismos para de crescer, começa a se dividir e entra em fase estacionária. Nesse caso, algumas bactérias se esporulam ou formam cistos. Os esporos são caracterizados por possuírem um metabolismo pouco ativo, ou até mesmo inativo.

Redução do tamanho e autofagia de carboidratos da membrana: as células microbianas, mesmo após o fim da fase exponencial de crescimento, na maioria das vezes continuam se dividindo durante o início da fase estacionária, dando origem a células com tamanho reduzido, o que pode ser uma vantagem para a dispersão da espécie. Algumas bactérias diminuem em tamanho devido a autofagia de carboidratos de membrana, que também pode ser considerada uma adaptação a limitação de nutrientes.

Aumento do metabolismo de proteínas e RNA: quando uma bactéria entra em estado estacionário, sua taxa de metabolismo total diminui. Contudo, com a depleção de nutrientes, muitas bactérias experimentam um aumento significativo no metabolismo de proteínas e RNA. Provavelmente, proteínas e RNA podem servir como fonte de energia para manter a viabilidade das funções cruciais da célula, como por exemplo, transporte de soluto e níveis de pool de ATP.

Mudanças na composição protéica: uma bactéria pode sintetizar dezenas de novas proteínas quando submetida a condições de falta de nutriente. Muitas dessas proteínas desempenham funções relacionadas ao nutriente que se encontra em baixa concentração. Algumas proteínas também podem estar envolvidas na resistência ao stress.

Mudanças na resistência ao stress ambiental: células que entram na fase estacionária podem se tornar mais resistentes a stress ambiental tais como, altas temperaturas e stress químico e osmótico. As propriedades de resistência são devido à síntese de um fator sigma que possui vários nomes: RpoS, σS, σ38, σB, KatF. O gene rpoS, em E. coli, codifica um fator sigma de regulação (RpoS) para a transcrição de cerca de 50 genes que codificam proteínas, induzida pela depleção de carbono quando a bactéria entra em fase estacionária, aumentando a resistência da bactéria. O gene rpoS é também necessário em condições de depleção de nitrogênio e potássio. O gene rpoS também está presente em patógenos e pode ser muito importante na compreensão nos mecanismos de patogenicidade. Mutações em rpoS do patógeno intestinal Salmonella resulta na atenuação da virulência em camundongos. Assim pode-se supor que o fator sigma RpoS ajuda patógenos a sobreviver sob stress, tais como, stress oxidativo e de pH. Os níveis de RpoS durante respostas de stress é regulado em nível transcricional, pós-transcricional e pós-traducional.

Existem outros reguladores para a expressão de genes durante a falta de nutrientes na fase estacionária além dos fatores sigma. O “complexo AMP cíclico/proteína CRP”, por exemplo, estimula a expressão de dois ou três dos genes expressados durante a limitação de carbono.

A síntese de ribossomos está acoplada à taxa de crescimento de microrganismos. Em taxas de crescimento maiores, observa-se que há um número significativamente maior de ribossomos por célula. Provavelmente vários fatores estão envolvidos na regulação da taxa de síntese de ribossomos. A síntese de uma proteína de ligação ao DNA, chamada Fis aumenta em meio rico, e isso regula positivamente a transcrição do gene rRNA. Uma proteína que também é de ligação ao DNA, chamada H-NS antagoniza a estimulação da proteína Fis, e pode inclusive atuar como um repressor da transcrição de rRNA. Outro importante regulador é o ppGpp (guanosina tetrafosfato), que aumenta quando as células estão sujeitas a depleção de amino ácidos ou carbono, diminuindo a síntese de rRNA e tRNA durante a resposta estringente.

Crescimento diáuxico

Crescimento diáuxico ocorre quando microrganismos na presença de duas fontes de carbono crescem preferencialmente utilizando uma das fontes e depois cresce utilizando a outra fonte. Quando temos, por exemplo, E. coli crescendo em um meio com glicose e lactose. A bactéria cresce exponencialmente com glicose, entra em uma fase lag, e finalmente cresce exponencialmente com a lactose.

Repressão Catabólica por Glicose

Sabemos que em muitas bactérias, glicose reprime a síntese de enzimas necessárias para o crescimento em fontes alternativas de carbono, como a lactose. Glicose também inibe a absorção de outros açúcares pela célula. O resultado é que o crescimento utilizando uma segunda fonte de carbono não ocorre até que toda a glicose do meio seja consumida. Durante a fase lag do crescimento, a bactéria sintetiza as enzimas necessárias para o crescimento em outra fonte de carbono que não seja