Bakterievækst og generationstid

Bioteknologi A · STX · A-niveau · Eksperimentelt arbejde

Bakterievækst og generationstid på Bioteknologi A

Mikrobiologi er afgørende for bioteknologi — bakterier er biotek-industriens arbejdshester (insulin, antibiotika, enzymer). Forståelsen af bakterievækst er central for bioreaktor-design og fødevaresikkerhed.

Bakteriers grundlæggende biologi

#### Prokaryot opbygning

• Cellevæg (peptidoglycan).
• Cellemembran.
• Cytoplasma med ribosomer (70S, mindre end eukaryote 80S).
• Nukleoid (cirkulært DNA, ikke pakket i kerne).
• Plasmider (små cirkulære DNA, ofte med antibiotika-resistens).
• Flageller (bevægelse), pili (vedhæftning, DNA-overførsel).

#### Gram-positive vs. gram-negative

Gram-farvning (Hans Christian Gram, 1884):

Gram-positive:

• Tyk peptidoglycan-væg.
• Ingen ydre membran.
• Lilla efter Gram-farvning.
• Eksempler: Staphylococcus, Streptococcus, Bacillus, Listeria.

Gram-negative:

• Tynd peptidoglycan-væg.
• Ydre membran med lipopolysakkarider (LPS).
• Pink efter Gram-farvning.
• Eksempler: E. coli, Salmonella, Helicobacter, Vibrio.

Bakterievækstkurven (4 faser)

Når bakterier dyrkes i lukket system (batch-kultur), gennemgår de 4 faser:

#### 1. Lag-fase

• Tilpasning til ny miljø.
• Ingen vækst, men cellerne aktive (enzym-syntese).
• Varighed: minutter til timer afhængigt af forhold.

#### 2. Log-fase (eksponentiel vækst)

• Maksimal vækstrate.
• Antal celler fordobles hver generationstid.
• N(t) = N₀ · 2^(t/τ), hvor τ er generationstid.

#### 3. Stationær fase

• Vækst = død (netto stilstand).
• Næringsstoffer udtømmes, affaldsstoffer ophober.
• Stress-respons aktiveres (sporedannelse hos Bacillus).

#### 4. Dødsfase

• Død > vækst.
• Antal levende celler falder eksponentielt.

Generationstid (τ)

Tid det tager for population at fordoble:

N(t) = N₀ · 2^(t/τ)

Løst for τ:

τ = (t · log(2)) / log(N(t)/N₀)

#### Typiske generationstider (i optimal kultur)

• E. coli: 20 min.
• Bacillus subtilis: 25 min.
• Mycobacterium tuberculosis: 24 timer (langsom!).
• Lactobacillus: 1-2 timer.

Måling af bakterievækst

#### 1. Optisk densitet (OD)

Mål med spektrofotometer ved 600 nm (OD₆₀₀). Hurtigt og nondestruktivt.

Problem: skelner ikke levende fra døde.

#### 2. Plate-tælling (CFU)

Fortynd prøve, sprøjt på agar-plade, tæl kolonier (Colony Forming Units).

Fordel: kun levende celler. Ulempe: tager 1-2 dage.

#### 3. Direkte mikroskopi

Tæl celler i Hemocytometer-kammer.

Fordel: alle celler. Ulempe: skelner ikke levende.

Vækstkrav

#### Energi

• Fototrofe (lysenergi).
• Kemotrofe (kemisk energi).

#### Kulstof

• Autotrofe (fra CO₂).
• Heterotrofe (fra organisk stof).

#### Oxygen

• Aerob: kræver O₂ (de fleste).
• Anaerob: dør ved O₂ (Clostridium botulinum).
• Fakultativt: vokser begge veje (E. coli).
• Mikroaerofil: lav O₂-tolerance (Helicobacter pylori).

Antibiotika og resistens

#### Virkningsmekanismer

• Cellevæg-syntese: penicillin, cephalosporin, vancomycin.
• Proteinsyntese: tetracyclin, streptomycin, erythromycin.
• DNA-replikation: quinoloner (ciprofloxacin).
• Folatsyntese: sulfonamider.

#### Resistens-mekanismer

• Enzymatisk inaktivering: β-laktamase nedbryder penicillin.
• Reduceret optag: ydre membran ændres.
• Efflux-pumper: stof pumpes ud.
• Mål-modifikation: ribosom ændres.

#### Multiresistente bakterier

• *MRSA (Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus):* sygehusinfektion.
• *VRE (Vancomycin-Resistant Enterococcus).*
• *CRE (Carbapenem-Resistant Enterobacteriaceae):* sidste-linje resistens.

#### WHO's alarmerende prognose

Uden handling: 10 mio. årlige dødsfald fra antibiotika-resistens i 2050 (mere end kræft).

Industriel bakterievækst

#### Bioreaktorer

• Batch: alle næringsstoffer fra start, høst ved slut.
• Fed-batch: næringsstof tilføres løbende.
• Kontinuert: konstant tilførsel og høst.

#### Optimering

• pH-kontrol (typisk 6,5-7,5).
• Temperatur (37°C for E. coli).
• O₂-tilførsel (omrøring, beluftning).
• Næringssammensætning.

#### Eksempler på industrielle produkter

• Insulin (E. coli).
• Bioplast (PHA) (Cupriavidus necator).
• Antibiotika (Streptomyces).
• Enzymer (Bacillus).
• Bioethanol (Saccharomyces, gær).

Almindelige fejl

#### Fejl 1: Forveksle generationstid og levetid

Generationstid er fordoblingstid, ikke hvor længe en celle lever.

#### Fejl 2: Antage altid eksponentiel vækst

Kun i log-fasen. I virkelige systemer kommer altid stationær fase.

#### Fejl 3: Glemme at bakterier kan være anaerobe

Clostridium, Bacteroides lever uden ilt — kan ikke dyrkes ved O₂.

Læringsmål

• Forklare bakteriers grundlæggende opbygning
• Skelne gram-positive og gram-negative
• Forklare 4 faser af bakterievækstkurven
• Beregne generationstid med N(t) = N₀·2^(t/τ)
• Anvende OD, plate-tælling og mikroskopi til vækstmåling
• Forklare antibiotika-virkninger og resistens-mekanismer

Sådan kan du arbejde med emnet

• Beregn antallet af bakterier efter 5 generationer, hvis startpopulationen er 100 celler
• Forklar hvad generationstid er, og hvordan den kan bestemmes eksperimentelt
• Diskutér hvilke faktorer der kan ændre en bakteriekultures generationstid

Eksperimentforslag

1. Bakterievækst-kurve for E. coli ved måling af OD₆₀₀.

2. Beregn generationstid fra eksponentiel del af kurven.

3. Antibiotika-følsomhedstest (Kirby-Bauer).

Brobygning

Mikrobiologi er fundament for bioteknologi (DTU), medicin, fødevarevidenskab, infektionsmedicin.