Влияние концентрации питательных веществ на скорость роста

Рассмотренная нами кривая роста микробной популяции при периодической системе культивирования наиболее близка к реальному процессу асинхронного, или неоднородного деления клеток данной культуры. При этом, одновременно с ростом биомассы одних клеток, происходит увеличение числа клеток в популяции за счет деления других и постоянная утилизация субстратов питательной среды. Такой рост возможен лишь в том случае, если питательная среда сбалансирована по всем компонентам, необходимым бактериальной клетке для роста и размножения. Следовательно, нелимитированность питательной среды по какому-либо питательному компоненту – одно из основных обязательных условий максимального роста микробной популяции.

Если же питательная среда лимитирована по какому-либо питательному компоненту, то скорость роста замедляется вплоть до полной остановки роста после полной утилизации этого компонента. Иногда в комплексной питательной среде бактериальные клетки используют имеющиеся субстраты последовательно. Это происходит тогда, когда присутствие одного субстрата в среде приводит к подавлению синтеза фермента, участвующего в метаболизме других питательных веществ. В этих условиях «подавляемые» ферменты начинают синтезироваться и осуществлять метаболизм лишь тогда, когда ингибирующий (подавляющий) их субстрат будет израсходован бактериальными клетками. Такая регуляция физиологии бактерий концентрацией питательных веществ в субстрате приводит к изменениям в скорости роста, а следовательно, и в кривой роста, на которой появляется одна или несколько переходных (т.е. временных) стационарных фаз. Классическим примером такого роста может служить рост E.coli в присутствии глюкозы и лактозы. Сначала происходит рост культуры за счет использования глюкозы. После расхода этого субстрата кривая роста резко меняет свой наклон. Во время этой лог-фазы происходит включение новой ферментной системы, участвующей в метаболизме лактозы, и накоплении биомассы продолжается за счет потребления этого сахара.

1 2 3

1.Использование глюкозы

2.Образование новой ферментной системы

3.Использование лактозы

Концентрацией питательных веществ в среде можно влиять на только на скорость роста, но и на процессы биосинтеза тех или иных продуктов метаболизма. Такое изменение биосинтеза, как теперь известно, связанно с определенными фазами развития культуры (первичные и вторичные метаболиты). Если речь идет о первичных метаболитах, т.е. о веществах синтез которых связан сростом и размножением микробных клеток, то различными способами удлиняют фазу логарифмического роста, прибегая к полупрочному или проточному культивированию (вместо периодического). Если целевым продуктом являются вторичные метаболиты (вещества синтезируемые при замедлении размножения микробов), то меняя параметры культивирования, концентрацию тех или иных питательных веществ добиваются неоптимальных условий для роста, но оптимальных для биосинтеза определенного продукта. Для этого некоторые компоненты питательной среды должны быть в недостатке, чтобы основное сходное сырье перерабатывалось биомассой в целевой продукт.

До недавнего времени лимитирующие рост факторы выявляли только путем эмпирического поиска и обнаруживались методом проб и ошибок. Так, установлено, что многие антибиотики, образуемые актиномицетами, синтезируются при лимитации роста продуцентов недостатком роста фосфора, для биосинтеза пенициллина – требуется лимитация роста культур глюкозой, а для грамицидина С – молекулярным кислородом.

В последнее время для поиска лимитирующих компонентов питательной среды используют наборы синтетических сред с различными лимитирующими веществами, а также прибегают к математическому моделированию и планированию экспериментов.