Sous réserve des bonnes conditions (nourriture, température correcte, etc), les microbes peuvent se développer très rapidement. Selon la situation, cela peut être une bonne chose pour les humains (levure se développant dans le moût pour faire de la bière) ou une mauvaise chose (bactérie se développant dans votre gorge causant une angine). Il est important d’avoir des connaissances sur leur croissance, afin de pouvoir prédire ou contrôler leur croissance dans des conditions particulières.

Alors que la croissance des organismes muticelluaires est généralement mesurée en termes d’augmentation de la taille d’un seul organisme, la croissance microbienne est mesurée par l’augmentation de la population, soit en mesurant l’augmentation du nombre de cellules, soit l’augmentation de la masse globale.

Division bactérienne

Les bactéries et les archées se reproduisent uniquement de manière asexuée, tandis que les microbes eucartyotiques peuvent se livrer à une reproduction sexuée ou asexuée. Les bactéries et les archées s’engagent le plus souvent dans un processus connu sous le nom de fission binaire, où une seule cellule se divise en deux cellules de taille égale. D’autres processus moins courants peuvent inclure la fission multiple, le bourgeonnement et la production de spores.

Le processus commence par l’allongement de la cellule, qui nécessite un élargissement minutieux de la membrane cellulaire et de la paroi cellulaire, en plus d’une augmentation du volume cellulaire. La cellule commence à répliquer son ADN, en vue d’avoir deux copies de son chromosome, une pour chaque cellule nouvellement formée. La protéine FtsZ est essentielle à la formation d’un septum, qui se manifeste initialement par un anneau au milieu de la cellule allongée. Après la ségrégation des nucléoïdes à chaque extrémité de la cellule allongée, la formation du septum est achevée, divisant la cellule allongée en deux cellules filles de taille égale. L’ensemble du processus ou cycle cellulaire peut prendre aussi peu que 20 minutes pour une culture active de bactéries E. coli.

Courbe de croissance

Puisque les bactéries sont faciles à cultiver en laboratoire, leur croissance a été largement étudiée. Il a été déterminé que dans un système fermé ou une culture par lots (pas d’ajout de nourriture, pas d’élimination de déchets), les bactéries se développent selon un modèle prévisible, ce qui entraîne une courbe de croissance composée de quatre phases distinctes de croissance : la phase de latence, la phase exponentielle ou logarithmique, la phase stationnaire et la phase de mort ou de déclin. En outre, cette courbe de croissance peut donner le temps de génération pour un organisme particulier – la quantité de temps qu’il faut pour que la population double.

Les détails associés à chaque courbe de croissance (nombre de cellules, durée de chaque phase, rapidité de la croissance ou de la mort, durée globale) varieront d’un organisme à l’autre ou même avec des conditions différentes pour le même organisme. Mais le modèle des quatre phases distinctes de croissance restera généralement.

Phase de latence

La phase de latence est une période d’adaptation, où les bactéries s’ajustent à leurs nouvelles conditions. La durée de la phase de latence peut varier considérablement, en fonction de la différence entre les conditions de départ et les conditions d’arrivée des bactéries, ainsi que de l’état des cellules bactériennes elles-mêmes. Les cellules en croissance active transférées d’un type de milieu dans le même type de milieu, avec les mêmes conditions environnementales, auront la période de latence la plus courte. Les cellules endommagées auront une longue période de latence, car elles doivent se réparer avant de pouvoir s’engager dans la reproduction.

Typiquement, les cellules en période de latence synthétisent de l’ARN, des enzymes et des métabolites essentiels qui pourraient manquer dans leur nouvel environnement (comme les facteurs de croissance ou les macromolécules), et s’adaptent aux changements environnementaux tels que les changements de température, de pH ou de disponibilité en oxygène. Elles peuvent également entreprendre toute réparation nécessaire des cellules blessées.

Phase exponentielle ou logarithmique

Une fois que les cellules ont accumulé tout ce dont elles ont besoin pour leur croissance, elles procèdent à la division cellulaire. La phase exponentielle ou logarithmique de la croissance est marquée par des doublements prévisibles de la population, où 1 cellule devient 2 cellules, devient 4, devient 8, etc. Des conditions optimales pour les cellules entraîneront une croissance très rapide (et une pente plus forte sur la courbe de croissance), tandis que des conditions moins qu’idéales entraîneront une croissance plus lente. Les cellules en phase exponentielle de croissance sont les plus saines et les plus uniformes, ce qui explique pourquoi la plupart des expériences utilisent des cellules de cette phase.

En raison de la prévisibilité de la croissance dans cette phase, celle-ci peut être utilisée pour calculer mathématiquement le temps nécessaire à la population bactérienne pour doubler en nombre, connu comme le temps de génération (g). Cette information est utilisée par les microbiologistes dans la recherche fondamentale, ainsi que dans l’industrie. Afin de déterminer le temps de génération, le logarithme naturel du nombre de cellules peut être tracé en fonction du temps (où les unités peuvent varier, selon la vitesse de croissance de la population particulière), en utilisant un graphique semi-logarithmique pour générer une ligne avec une pente prévisible.
La pente de la ligne est égale à 0,301/g. Alternativement, on peut se fier à la relation fixe entre le nombre initial de cellules au début de la phase exponentielle et le nombre de cellules après une certaine période de temps, qui peut être exprimée par :

\mathrm{N = N_{0}2^{n}}

où N est la concentration cellulaire finale, N0 est la concentration cellulaire initiale, et n est le nombre de générations qui se sont produites entre la période de temps spécifiée. Le temps de génération (g) peut être représenté par t/n, t étant la période de temps spécifiée en minutes, heures, jours ou mois. Ainsi, si l’on connaît la concentration cellulaire au début de la phase exponentielle de croissance et la concentration cellulaire après une certaine période de croissance exponentielle, le nombre de générations peut être calculé. Ensuite, en utilisant le temps pendant lequel on a laissé la croissance se dérouler (t), on peut calculer g.

Phase stationnaire

Toutes les bonnes choses ont une fin (sinon les bactéries égaleraient la masse de la Terre en 7 jours !). À un moment donné, la population bactérienne manque d’un nutriment/chimique essentiel ou sa croissance est inhibée par ses propres déchets (c’est un récipient fermé, rappelez-vous ?) ou par le manque d’espace physique, ce qui fait que les cellules entrent dans la phase stationnaire. À ce stade, le nombre de nouvelles cellules produites est égal au nombre de cellules qui meurent ou la croissance a entièrement cessé, ce qui entraîne un aplatissement de la croissance sur la courbe de croissance.

Physiologiquement, les cellules deviennent tout à fait différentes à ce stade, car elles tentent de s’adapter à leurs nouvelles conditions de famine. Les quelques nouvelles cellules produites sont de taille plus petite, les bacilles devenant presque sphériques. Leur membrane plasmique devient moins fluide et perméable, avec davantage de molécules hydrophobes à la surface qui favorisent l’adhésion et l’agrégation des cellules. Le nucléoïde se condense et l’ADN se lie à des protéines de liaison à l’ADN provenant de cellules affamées (DPS), afin de protéger l’ADN des dommages. Ces changements sont conçus pour permettre à la cellule de survivre plus longtemps dans des conditions défavorables, en attendant que des conditions plus optimales (comme une infusion de nutriments) se produisent. Ces mêmes stratégies sont utilisées par les cellules dans des environnements oligotrophes ou pauvres en nutriments. On a émis l’hypothèse que les cellules dans le monde naturel (c’est-à-dire en dehors du laboratoire) existent généralement pendant de longues périodes dans des environnements oligotrophes, avec seulement des infusions sporadiques de nutriments qui les ramènent à une croissance exponentielle pendant de très brèves périodes.

Pendant la phase stationnaire, les cellules sont également enclines à produire des métabolites secondaires, ou des métabolites produits après une croissance active, comme les antibiotiques. Les cellules capables de fabriquer un endospore activeront les gènes nécessaires pendant cette phase, afin d’initier le processus de sporulation.

Phase de mort ou de déclin

Dans la dernière phase de la courbe de croissance, la phase de mort ou de déclin, le nombre de cellules viables diminue de façon prévisible (ou exponentielle). La raideur de la pente correspond à la vitesse à laquelle les cellules perdent leur viabilité. On pense que les conditions de culture se sont détériorées à un point tel que les cellules sont irrémédiablement endommagées, car les cellules prélevées dans cette phase ne montrent aucune croissance lorsqu’elles sont transférées dans un milieu frais. Il est important de noter que si la turbidité d’une culture est mesurée comme moyen de déterminer la densité cellulaire, les mesures pourraient ne pas diminuer pendant cette phase, puisque les cellules pourraient être encore intactes.

Il a été suggéré que les cellules que l’on croit mortes pourraient être ranimées dans des conditions spécifiques, un état décrit comme viable mais non cultivable (VBNC). Cet état pourrait être important pour les agents pathogènes, où ils entrent dans un état de très faible métabolisme et d’absence de division cellulaire, pour reprendre leur croissance ultérieurement, lorsque les conditions s’améliorent.

Il a également été démontré qu’une mort cellulaire à 100% est peu probable, pour toute population cellulaire, car les cellules mutent pour s’adapter à leurs conditions environnementales, aussi dures soient-elles. On observe souvent un effet de queue, où une petite population de cellules ne peut être tuée. En outre, ces cellules pourraient bénéficier de la mort de leurs congénères, qui fournissent des nutriments à l’environnement lorsqu’elles se lysent et libèrent leur contenu cellulaire.

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