Cambios en la composición celular con la edad y velocidad de crecimiento Los extremos de pH, temperatura, y presión osmótica ó la presencia de concentraciones subletales de sustancias inhibitorias, pueden causar morfología anormal, mal función metabólica, y velocidades de crecimiento bajas. Tales efectos pueden evitarse en un proceso industrial, pero aún en condiciones favorables, la composición y el comportamiento de las células cambia en respuesta al entorno. En cultivos batch, la célula se multiplica en un sistema cerrado hasta que algún nutriente se agota, ó algún subproducto se acumula a niveles tóxicos. El desarrollo de la población pasa a través de un número de fases: 1.Fase de retardo, en la cual la masa celular aumenta pero no ocurre división. 2.Fase logarítmica, en la cual el número de células aumenta a una velocidad constante. 3.Fase estacionaria, cuando la velocida de muerte es más rápida que la velocidad de multiplicación.

La escala de tiempo para este ciclo es muy variable para organismos diferentes, los coliformes pueden completar su ciclo en 3 – 5 hr en condiciones óptimas. Si la concentración de nutriente es muy baja, como en un tratamiento de aguas servidas, el sisteme nunca puede alcanzar el máximo de la velocidad de crecimiento. Además las fases de aumento y disminución de velocidades de crecimiento ocurren por un lapso de tiempo breve, al comienzo y final de la fase logarítmica. Es importante apreciar que, en un sistema batch, las condiciones de entorno no son constantes, aún durante la fase de velocidad de crecimiento constante. Cuando la composición de la bacteria de diferentes etapas de cada cultivo batch fue examinada, se encontraron algunas diferencias muy significativas.

Fig.1: Representación esquemática de cambios en el tamaño celular y composición química durante el crecimiento de una bacteria en cultivo batch.

Estas observaciones se representan en la Fig.1, la ordenada de la izquierda representa en una escala logarítmica, los números y peso seco de las células por ml, mientras que la ordenada de la derecha representa en una escala aritmética, el peso de las células individuales y su contenido de RNA y de DNA. Todas las escalas tienen unidades arbitrarias elegidas tal que cada valor inicial es 1. Cuando las células en reposo son inoculadas en un medio de cultivo fresco con nutrientes complejos, el peso de la célula aumenta logarítmicamente inmediatamente y es acompañado por un aumento abrupto en el contenido de RNA por célula. El peso de la célula individual y el contenido de RNA aumenta a un cierto nivel, indicado como tiempo a en la Fig. 1, luego ambos número y masa celular aumentan logarítmicamente. El período desde la inoculación a tiempo a, es el tiempo requerido para que cada célula individual inicie la división celular, esto es, la fase logarítmica. Durante la fase de crecimiento exponencial, los valores de RNA por unidad de peso celular, y la masa celular individual permanece relativamente constante. Cuando algún nutriente en el medio se agota, el peso de la célula individual cae, como lo indica el tiempo b en la figura. El contenido de RNA por célula y el peso individual de la célula también comienzan a caer en b, ya que la división celular exponecial continúa hasta el tiempo c,

mientras que la velocidad de síntesis de RNA disminuye durante este período. Al tiempo c, la velocidad de división celular declina, eventualmente entra en una etapa de reposo, que se muestra como d en la Fig. 1. La cantidad de DNA es pequeña comparada con la de RNA, pero varía con la velocidad de crecimiento, evidencias citológicas muestran que rápidamente crecen las células que contienen dos ó tres núcleos por célula, mientras declinan las células que tienen solamente uno. Los análisis de células son de poco valor a menos que las condiciones de crecimiento sean precisamente definidas, pero estrictamente hablando, es imposible hacer esto para un cultivo batch ya que las condiciones cambian minuto a minuto. Sin embargo las condiciones de crecimiento, pueden ser mantenidas constante indefinidamente en un sistema continuo en estado estacionario. Con tal sistema, es posible seleccionar un nutriente a crecimiento limitado, ó para asegurar que no todo el nutriente limita el crecimiento, y además, es posible seleccionar la velocidad a la cual las células crecerán bajo estas condiciones. Es posible correlacionar entonces la composición celular, y el comportamiento con las condiciones de crecimiento. Herbert observó para Aerobacter aerógenes creciendo a diferentes velocidades en un cultivo continuo, en un medio de sales minerales con glicerol como el sustrato limitante del crecimiento, la velocidad específica de crecimiento μ, fue controlada por cambios en la velocidad de dilución.

El promedio de la masa celular y los porcentajes de RNA, DNA, y proteína por unidad de peso seco fueron medidos y se muestran en la Fig. 2 Fig. 2: Efectos de velocidades de crecimiento diferentes sobre la masa celular y composición química de Aerobacter aerógenes, mantenida en un cultivo continuo.

Los porcentajes de proteína y DNA cambiaron muy poco con la velocidad específica de crecimiento, pero ambos promedio de la masa celular y el porcentaje de RNA aumentó marcadamente con el aumento en la velocidad de crecimiento. Cambios similares en el RNA, DNA, proteínas y masa celular fueron observados si el crecimiento en el sustrato limitante fue cambiado desde el glicerol al ión amonio, esto implica que la velocidad específica de crecimiento es importante en la determinación de la composición y masa de las células, y esto fue independiente del nutriente limitante del crecimiento. Efectos similares se observaron siguiendo los cambios en la velocidad de crecimiento de Bacillus megaterium en un cultivo continuo.

Bibliografía Aiba Suichi, Humphrey Arthur E, Millis Nancy M. “Biochemical Engineering” 2 ed. Academic Press, INC. 1973