Cominciamo con un video
La voce che spiega ad un certo punto dice:
"Un solo batterio, riproducendosi ogni 20 minuti, può originare 5.000 miliardi di miliardi di batteri in 24 ore ...
Andiamo a controllare!
Partiamo dalle condizioni ideali proposte dal filmato. Un solo batterio iniziale. I batteri hanno un tempo di generazione di 20 minuti, cioè raddoppiano ogni 20 minuti. Quindi il batterio iniziale dopo 20 minuti si sarà raddoppiato e dopo 40 minuti ne avremo già 4 che si trasformeranno in 8 al termine della prima ora. La crescita è esponenziale.
In condizioni ideali si presume che il numero di cellule morte sia irrilevante. Si può quindi utilizzare la seguente equazione esponenziale.
Per risolvere l'equazione esponenziale applichiamo i logaritmi decimali
Noi sappiamo che: al tempo zero abbiamo un solo batterio, n (numero di generazioni ) nelle 24 ore è pari a 72 e che il logaritmo di 2 è uguale a 0,301. Quindi ...
Andiamo avanti con i passaggi ...
Non ci resta che calcolare il logaritmo di N con t. Basta applicare la definizione di logaritmo di un numero, cioè l'esponente (21,672) che bisogna dare alla base (10) per ottenere quel numero. In altre parole ...
Il che significa ...
In un'ora i batteri sono diventati un numero difficile da leggere. Vero? concorda con quanto dichiarato nel filmato?
L'equazione esponenziale proposta ...
... consente di calcolare non solo il numero di batteri al tempo t ma anche il numero di generazioni. Spesso nelle attività laboratoriali è un parametro di notevole interesse visto che possono essere noti i batteri al tempo 0 e i batteri al tempo t.
E la velocità di crescita?
Basta dividere il numero di generazioni per il tempo t di incubazione
Fin qui la matematica ma nella realtà del laboratorio?
La crescita batterica si studia preferibilmente in un terreno di coltura liquido (brodo)
Un grafico ottenuto riportando sull'asse x il tempo e sull'asse y il numero dei batteri vitali ha il seguente andamento
Nel grafico si distinguono 4 fasi.
- A fase di latenza (o fase lag) in cui i batteri si adattano all'ambiente; per esempio sintetizzano gli enzimi necessari per utilizzare i nutrienti a disposizione.
- B fase di crescita esponenziale (o fase log) in cui i batteri riescono a sfruttare al meglio le risorse ambientali e crescono velocemente.
- C fase di latenza (idiofase) in cui i batteri arrestano la loro crescita e quindi l'aumento della loro popolazione perché ad esempio vengono a mancare i principali nutrienti; in questa fase il numero delle cellule vitali e di quelle morte è in equilibrio.
- D fase di morte cellulare (o di declino) in cui le cellule morte aumentano progressivamente rispetto a quelle vitali.
Stiamo parlando di laboratorio e quindi è intuitivo che questo sia effettivamente quanto succede visto che la piastra con il terreno solido o la provetta con terreno liquido rappresentano un ambiente con confini precisi e nutrienti limitati
E se cambiamo la disponibilità dei nutrienti?
Per esempio diamo a disposizione dei batteri due zuccheri diversi, come il glucosio e il lattosio?
Il risultato testimonia che prima i batteri utilizzano il glucosio e solo quando lo hanno esaurito sintetizzano gli enzimi necessari per degradare il lattosio e poter utilizzare così gli zuccheri semplici (glucosio e galattosio) ottenuti.
Insomma, i batteri ottimizzano i tempi e non sono andati a scuola per impararlo!
Valutazione della crescita batterica in laboratorio
La conta
- Conta diretta
- Conta indiretta
Conta diretta
La conta diretta sfrutta camere di conta o vetrini speciali con griglie dimensionate in modo standard che consentono di risalire al numero di cellule nell'unità di volume. Il metodo viene dettagliato in un'altra pagina del sito, compresi i punti deboli e gli aspetti positivi.
La conta diretta può sfruttare anche coloranti fluorescenti che consentono di suddividere le cellule vitali da quelle morte superando uno dei limiti della conta su vetrini speciali.
Il metodo più moderno è la tecnica FISH (Fluorescent In-Situ Hybridization). Si usano sonde oligonucleotidiche marcate con coloranti fluorescenti che permettono di distinguere popolazioni batteriche diverse nella stessa soluzione.
Conta indiretta
- Conta in piastra per inclusione o spandimento
- Conta in substrato liquido attraverso la torbidità o il viraggio di indicatori
La conta indiretta in piastra sfrutta la proprietà che solo le cellule vitali hanno di formare colonie. Anche questo metodo presenta dei punti deboli e quindi si preferisce dare come risultato non il numero dei batteri ma le unità formanti colonie (UFC) che si possono contare con appositi apparecchi o agevolando il conteggio attraverso l'uso di membrane filtranti come in foto. Ovviamente, visto che in genere i campioni vengono diluiti prima della semina, bisogna poi tenere conto del fattore di diluizione per avere la definitiva conta vitale.
La conta in substrato liquido sfrutta per lo più la torbidità che acquisisce il mezzo colturale con l'aumento del numero dei batteri. Sono ormai sistemi automatizzati.
La valutazione della biomassa
In questa pagina viene solo accennata perché nell'introduzione è stato specificato che l'obiettivo era solo quello di esporre l'aumento numerico della popolazione batterica. I metodi sono essenzialmente tre.
- Il metodo gravimetrico, diretto, che consiste nel separare la massa batterica dal mezzo colturale, lavarla per evitare che rimangano residui del terreno di coltura, farla seccare e pesarla
- Il metodo indiretto che usa lo spettrofotometro per cui si misura la luce assorbita o dispersa dalla massa batterica
- Il metodo chimico indiretto che misura una delle seguenti biomolecole, proteine o acidi nucleici
Tutti i metodi fin qui descritti sono utilizzabili anche sulla maggior parte degli altri microrganismi dotati di cellula.
E l'ambiente?
In parte lo abbiamo già visto esponendo la curva diauxica. La presenza dei nutrienti è un aspetto essenziale. Ma l'elenco non si ferma certo qui. I fattori riportati si riferiscono solo all'attività in laboratorio altrimenti andrebbero citati anche pressione e radiazioni.
- Temperatura. I batteri si dividono principalmente in tre categorie a seconda del range in cui "preferiscono vivere". Sono gli psicrofili, i mesofili e i termofili. I primi crescono anche negli ambienti refrigerati; i secondi preferiscono il corpo umano e i terzi sopportano bene i 70°C e quindi li troviamo anche nelle sorgenti termali. Nei laboratori vengono studiati tutte queste categorie per esigenze diverse.
- pH. Un altro importante fattore che ci fa suddividere i batteri in tre grossi gruppi: i neutrofili, gli acidofili e gli alcalinofili.
- Presenza di ossigeno. Uno dei primi argomenti che si studia sui batteri è la classificazione rispetto al comportamento con l'ossigeno atmosferico. Ci sono gli aerobi obbligati che necessitano di O2 e gli anaerobi obbligati per cui è determinante la situazione opposta. In mezzo una serie di sfumature che fanno parlare di anaerobi facoltativi (adottano indifferentemente la via della respirazione cellulare o della fermentazione), di microaerofili (la crescita avviene solo se l'ossigeno è presente al 2%) e di anaerobi tolleranti (il metabolismo tipico è in assenza di ossigeno ma lo tollerano anche se non lo utilizzano).
- Acqua. L'acqua è fondamentale per tutti gli esseri viventi e ovviamente ne sono sensibili anche i batteri. E anche i batteri devono misurarsi con le condizioni di ipertonicità e ipotonicità dell'ambiente esterno.
Abbiamo aperto con un video e chiudiamo con un video
Lo sapete che con poco si possono far crescere anche a casa sulle piastre Petri?
Credits:
Coltura batterica in piastra - pixnio.com Crescita esponenziale a confronto con crescita lineare e cubica - Di Exponential.png: Lunkwillderivative work: McSush (talk) - Exponential.png, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8897133 Curva di crescita batterica - Di L'utente che ha caricato in origine il file è stato MyRedDice di Wikipedia in inglese - Trasferito da en.wikipedia su Commons., GPL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2047401 Curva di crescita diauxica - CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=592696 Camera di Neubauer - By User:Alcibiades - Own work during work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=560652 Immagine al microscopio di una parte della griglia della camera di Neubauerr - By User:Alcibiades - Self-made during work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=560660 Piastra Petri con membrana filtrante - Di Matthias M. - Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18584611 Tutte le altre immagini sono di proprietà dello Studio Associato R&D