door Molly Sargen
figuren van Molly Sargen en Nicholas Lue
Microben (ook wel micro-organismen genoemd) zijn overal: op oppervlakken die we aanraken, in de lucht die we inademen en zelfs in ons. Zoals de naam suggereert, zijn alle microben te klein om zonder microscoop te zien. Naast grootte zijn microben ongelooflijk divers. Microben omvatten bacteriën, schimmels en protisten. Om harmonieus met al deze microben te kunnen leven, passen we tal van praktijken toe om hun groei te beheersen.
Aan de ene kant zijn er veel schadelijke microben die we proberen te vermijden. Denk aan de ziekmakende bacteriënListeria monocytogenes EnSalmonella enterica Dat door voedsel overgedragen ziekten veroorzaken. We gebruiken koeling om de groei van dit soort microben te vertragen en voedsel veilig te houden om te eten. Aan de andere kant vervullen sommige microben nuttige functies en cultiveren we ze opzettelijk. Bakkers gebruiken bijvoorbeeld warme temperaturen om de groei van de gist te bevorderenSaccharomyces cerevisiae brooddeeg laten rijzen. Sommige microben kunnen onder verschillende omstandigheden zowel schadelijk als heilzaam zijn. Bijvoorbeeld,Escherichia colikan gastro-intestinale aandoeningen veroorzaken bij inname, maar kan levensreddend zijnsynthetische insulinein een industriële omgeving. Het begrijpen van de fascinerende groei van microben helpt ons praktijken te ontwikkelen om evenwichtige interacties met deze micro-organismen te behouden.
Kenmerken van microben
Microben zijn diverse wezens. Velen hebben unieke kenmerken en mogelijkheden, maar ze delen een aantal gemeenschappelijke kenmerken (Afbeelding 2). De meeste microben bestaan uit slechts één of enkele cellen. Elke microbiële cel is omgeven door een celmembraan. Het membraan regelt de beweging van materiaal in en uit de cel. Hierdoor kan de cel belangrijk materiaal, zoals voedingsstoffen, binnenbrengen en afvalstoffen afvoeren. Sommige microben zijn ook omgeven door acelwand. De wand biedt een structuur om de interne componenten van de cel te omsluiten. Binnenin draagt elke cel het DNA dat codeert voor zijn genoom. Andere structuren in de cel voeren metabolische functies uit die essentieel zijn voor het leven.
Mechanismen van microbiële groei
Microbiële groei verwijst naar een toename van het aantal cellen in plaats van een toename van de celgrootte. Veel microben (oaEscherichia coli, Salmonella enterica,EnListeria monocytogenes)zijn eencellig, wat betekent dat ze uit slechts één cel bestaan. De grootte van elke eencellige microbe wordt beperkt door het vermogen van de essentiële componenten van de cel om te overleven. Zo wordt de integriteit van de celwand aangetast als cellen te groot worden. De oplossing voor groeien ondanks limieten op de celgrootte is dat cellen zich delen of nieuwe cellen produceren uit de oorspronkelijke cel. Daarom groeit de bevolking, hoewel de omvang van de individuele leden van de bevolking stabiel blijft.
Meestal verdeelt een eencellige microbe zich tijdens één groeicyclus in twee identieke nieuwe cellen (Figuur 3a). De oorspronkelijke cel, de oudercel genoemd, maakt een kopie van zijn DNA en genereert genoeg materiaal om het membraan, de wand en de moleculaire machines voor twee cellen te bouwen. De oudercel wordt iets groter om plaats te bieden aan deze extra materialen. Vervolgens begint de oudercel in het midden samen te trekken en wordt een nieuw stuk celwand samengesteld op de plaats van samentrekking. Dit proces gaat door totdat de oudercel is gesplitst in twee cellen met complete celwanden. De resulterende cellen worden de dochtercellen genoemd. Omdat beide dochtercellen identiek zijn, wordt celdeling ook wel replicatie genoemd. Replicatie op deze manier leidt tot een snelle toename van het aantal cellen, aangezien elke dochtercel de cyclus opnieuw begint door op te treden als een oudercel. Celdeling kan er iets anders uitzien voor microben met verschillende vormen (Figuur 3b), maar de basisprincipes blijven hetzelfde.
Zolang de omstandigheden gunstig zijn, produceert één cel in een continue cyclus twee nieuwe cellen. Elke cyclus verdubbelt het aantal cellen in de populatie. Dit staat bekend alsexponentiële groei. Afhankelijk van de omstandigheden, de delingscyclus vanE colikan zo kort zijn als 20 minuten. Deze snelle deling leidt tot een snelle toename van de populatieomvang (Figuur 3c). Uiteindelijk is de populatie groot genoeg om een impact te hebben die we kunnen detecteren, zoals de vorming van een fysieke structuur. In een onderzoekslaboratorium kan dit een "kolonie', een berg bacteriën op vaste groeimedia. U merkt dit misschien als tandplak op uw tanden. Er zijn meer dan een miljoen bacteriën nodig om een zichtbare structuur te vormen, maar dit kan gebeuren in slechts ongeveer acht uur wanneer de omstandigheden optimaal zijnE coli.
Sommige microben produceren asymmetrisch nieuwe cellen. In deze situatie produceert één oudercel een enkele dochtercel door een proces genaamdontluikend. Tijdens het ontluiken ontwikkelt de oudercel een klein uitsteeksel dat bekend staat als de knop. De materialen die nodig zijn om een nieuwe cel te ondersteunen, worden naar de knop gestuurd, die zich uiteindelijk splitst van de oudercel om een nieuwe dochtercel te vormen. De oudercel blijft toppen maken, maar de uitgebloeide dochtercellen delen niet. Knoppen kunnen verbonden blijven in een ketting of uiteenvallen in individuele cellen (Figuur 4).Saccharomyces cerevisiae,een gist die wordt gebruikt om brood te maken, is een ontluikende gist.
Er zijn ookmeercellige microben, zoals algen en schimmels die schimmels vormen. Voor deze microben werken meerdere cellen samen om het organisme in leven te houden. Elke cel kan iets andere functies voor het organisme vervullen. Wanneer een oudercel zich deelt, begint elke dochtercel specifieke functies uit te voeren op basis van zijn omgeving. Het hele organisme groeit naarmate nieuwe cellen zich vormen en nieuwe functies aannemen. Dit is vergelijkbaar met de manier waarop grotere organismen, zoals dieren, groeien.
Factoren die de microbiële groei beïnvloeden
Alle soorten microbiële groei worden sterk beïnvloed door omgevingsomstandigheden. Een van de meest kritische factoren voor microbiële groei is de beschikbaarheid van voedingsstoffen en energie. Microben hebben net als dieren koolhydraten, vetten, eiwitten, metalen en vitamines nodig om te overleven. Het proces van het gebruiken van voedingsstoffen en het omzetten ervan in cellulair materiaal vereist energie. Elke microbe heeft unieke voedingsbehoeften, afhankelijk van de soorten moleculen die hij voor zichzelf kan maken. De meeste microben zijn redelijk robuust, wat betekent dat ze een manier kunnen vinden om te groeien onder verschillende voedingsomstandigheden. Desalniettemin groeien microben langzamer wanneer voedingsstoffen beperkt zijn.
Temperatuur heeft ook invloed op de microbiële groei. De meeste microben groeien optimaal binnen een bepaald temperatuurbereik dat wordt bepaald door het vermogen van eiwitten in de cel om te functioneren. Over het algemeen groeien microben bij lage temperaturen langzamer. Bij hogere temperaturen groeien microben sneller. Zo groeien ziekteverwekkers vaak het beste bij normale lichaamstemperatuur, maar langzaam bij lagere temperaturen buiten het lichaam of wanneer de lichaamstemperatuur stijgt tijdens koorts. Extreem hoge temperaturen denatureren meestal de componenten die nodig zijn om de cellen te laten overleven en zijn dodelijk voor veel microben. Desalniettemin groeien enkele uitzonderlijke microben liever bij zeer hoge of zeer lage temperaturen. Deze microben, bekend alsextremofielen, kan groeien in de buurt van hydrothermische ventilatieopeningen waar de temperatuur boven het kookpunt ligt of omgeven is door vast ijs.
Zelfs wanneer voedingsstoffen beschikbaar zijn en de temperatuur goed is, kunnen vele andere omgevingsfactoren de groei van microben beïnvloeden. Deze omvatten zuurgraad, beschikbaarheid van water en atmosferische druk. Elke microbe geeft de voorkeur aan een reeks eigenschappen voor meerdere kenmerken van de omgeving. Over het algemeen groeien microben doorgaans het beste onder een specifieke reeks omstandigheden en minder goed onder andere omstandigheden (Afbeelding 5). Specifieke voorkeuren voor groei zijn net zo divers als de soorten microben.
Methoden voor het beheersen van microbiële groei
Tientallen jaren van onderzoek hebben het huidige begrip van microbiële groei ontwikkeld om de hierboven geschetste principes vast te stellen. Door gemeenschappelijke principes vast te stellen, kunnen we ons richten op brede groepen microben, terwijl unieke vereisten voor groei ons in staat stellen om specifieke microben te targeten. Deze kennis maakt de beheersing van microbiële groei mogelijk die veel van onze interacties met microben tegenwoordig mogelijk maakt.
Veel controlemethoden proberen schadelijke microben uit voedsel of apparatuur te verwijderen. Hoge temperaturen worden bijvoorbeeld vaak gebruikt om microben te doden tijdens het koken of door processen zoals pasteurisatie. Op deze manier worden potentieel schadelijke microben grotendeels uit het voedingsproduct geëlimineerd, waardoor het veilig kan worden geconsumeerd en bewaard. Evenzo,chemicaliën in ontsmettingsmiddelenkan microben op grote schaal op oppervlakken beschadigen of doden. Alcoholen zoals ethanol en isopropanol beschadigen de celmembranen. Zonder deze beschermende structuur kunnen microben niet bepalen wat de cel binnenkomt of verlaat. Vervolgens kunnen microben belangrijke voedingsstoffen en water niet vasthouden. Als alternatief beschadigt waterstofperoxide structuren in de cel. Terwijl waterstofperoxide uiteenvalt, vormt het moleculen die bekend staan als vrije radicalen die eiwitten en DNA beschadigen. Ondertussen gebruiken we ook zeep om microben fysiek van oppervlakken te verwijderen. De chemische eigenschappen van zeep en fysieke kracht die wordt uitgeoefend bij het afvegen van een oppervlak, maakt de microben los.
Wanneer microben niet volledig uit een materiaal kunnen worden verwijderd, zoals voedselproducten die niet tot hoge temperaturen kunnen worden verwarmd, kunnen maatregelen worden genomen om de groei van microben te verminderen. Erkennen hoe temperatuur de groei beïnvloedt, ondersteunt het belang van koeling. Zoals gezegd vertragen koude temperaturen de groei van microben, dus koeling kan de groei van microben in deze voedingsproducten vertragen. Zoals hierboven beschreven, kunnen microben zich elke 20 minuten vermenigvuldigen, wat binnen enkele uren tot zichtbare groei leidt. Bij een lagere temperatuur kunnen de cellen zich slechts eens in de paar uur delen en duurt het meerdere dagen voordat er zichtbare groei te zien is.
Als we echter willen profiteren van microben, proberen we de omstandigheden voor hun groei te optimaliseren. Dit is de reden waarom gistdeeg op een warme temperatuur wordt gelaten om de gist snel te laten groeien. Als het deeg gekoeld is, duurt het veel langer om te rijzen. Evenzo om te gebruikenE colivoor de insulineproductie voorzien we bacteriën van specifieke voedingsstoffen die de groei bevorderen.
Gezien de diversiteit aan microben in de wereld, is het duidelijk dat er nog zoveel is dat we niet weten over hoe ze groeien. Door microbiële groei beter te begrijpen, kunnen we veilig leven met de microben in onze gemeenschap en gebruik maken van hun unieke mogelijkheden.
Molly Sargen is een PhD-student in het Biological and Biomedical Sciences Program aan de Harvard Medical School.
Nick Lue is een PhD-student in het Chemical Biology Program aan de Harvard University.
Omslagfoto:“Bacteriënmonster in petrischaal voor biotechnologisch onderzoek”doorIRRI-afbeeldingenis gelicenseerd onderCC BY-NC-SA 2.0
Voor meer informatie:
- Geïnteresseerd in het begrijpen van verschillende soorten microben? Pogingdeze pagina.
- Meer informatie over de structuur van bacteriële cellenhier.
- Zie voor meer informatie over celdelingdeze pagina.
- Lees voor meer informatie over mechanismen van microbiële groeiDit artikel.
- Voor meer informatie over chemische desinfectiemiddelen, bekijk deze informatie van deCDC.