Forniti delle giuste condizioni (cibo, temperatura corretta, ecc.) i microbi possono crescere molto velocemente. A seconda della situazione, questa potrebbe essere una cosa buona per gli esseri umani (il lievito che cresce nel mosto per fare la birra) o una cosa cattiva (i batteri che crescono nella tua gola causando lo streptococco). È importante avere conoscenza della loro crescita, in modo da poter prevedere o controllare la loro crescita in particolari condizioni.

Mentre la crescita degli organismi muticellulari è tipicamente misurata in termini di aumento delle dimensioni di un singolo organismo, la crescita microbica è misurata dall’aumento della popolazione, misurando l’aumento del numero di cellule o l’aumento della massa complessiva.

Divisione batterica

Batteri e archei si riproducono solo asessualmente, mentre i microbi eucarioti possono impegnarsi in una riproduzione sia sessuale che asessuale. I batteri e gli archaea più comunemente si impegnano in un processo noto come fissione binaria, dove una singola cellula si divide in due cellule di uguali dimensioni. Altri processi meno comuni possono includere la fissione multipla, la gemmazione e la produzione di spore.

Il processo inizia con l’allungamento della cellula, che richiede un attento allargamento della membrana cellulare e della parete cellulare, oltre ad un aumento del volume cellulare. La cellula inizia a replicare il suo DNA, in preparazione per avere due copie del suo cromosoma, una per ogni cellula appena formata. La proteina FtsZ è essenziale per la formazione di un setto, che inizialmente si manifesta come un anello al centro della cellula allungata. Dopo che i nucleidi sono segregati ad ogni estremità della cellula allungata, la formazione del setto è completata, dividendo la cellula allungata in due cellule figlie di uguali dimensioni. L’intero processo o ciclo cellulare può richiedere solo 20 minuti per una coltura attiva di batteri E. coli.

Curva di crescita

Siccome i batteri sono facili da coltivare in laboratorio, la loro crescita è stata studiata ampiamente. È stato determinato che in un sistema chiuso o in una coltura a lotti (nessun cibo aggiunto, nessun rifiuto rimosso) i batteri cresceranno in un modello prevedibile, risultante in una curva di crescita composta da quattro fasi distinte di crescita: la fase di ritardo, la fase esponenziale o log, la fase stazionaria, e la fase di morte o declino. Inoltre, questa curva di crescita può fornire il tempo di generazione per un particolare organismo – la quantità di tempo che la popolazione impiega per raddoppiare.

I dettagli associati ad ogni curva di crescita (numero di cellule, durata di ogni fase, rapidità di crescita o morte, quantità complessiva di tempo) varieranno da organismo a organismo o anche con condizioni diverse per lo stesso organismo. Ma il modello di quattro fasi distinte di crescita tipicamente rimane.

Fase di ritardo

La fase di ritardo è un periodo di adattamento, in cui i batteri si stanno adattando alle loro nuove condizioni. La lunghezza della fase lag può variare considerevolmente, in base a quanto le condizioni sono diverse da quelle da cui provengono i batteri, così come le condizioni delle cellule batteriche stesse. Le cellule in crescita attiva trasferite da un tipo di terreno nello stesso tipo di terreno, con le stesse condizioni ambientali, avranno il periodo di ritardo più breve. Le cellule danneggiate avranno un lungo periodo di ritardo, poiché devono ripararsi prima di potersi impegnare nella riproduzione.

In genere le cellule nel periodo di ritardo stanno sintetizzando RNA, enzimi e metaboliti essenziali che potrebbero mancare nel loro nuovo ambiente (come fattori di crescita o macromolecole), oltre ad adattarsi ai cambiamenti ambientali come i cambiamenti di temperatura, pH o disponibilità di ossigeno. Possono anche intraprendere qualsiasi riparazione necessaria di cellule ferite.

Fase esponenziale o fase log

Una volta che le cellule hanno accumulato tutto ciò di cui hanno bisogno per la crescita, procedono nella divisione cellulare. La fase esponenziale o logica della crescita è segnata da raddoppi prevedibili della popolazione, dove 1 cellula diventa 2 cellule, diventa 4, diventa 8 ecc. Condizioni che sono ottimali per le cellule risulteranno in una crescita molto rapida (e una pendenza più ripida sulla curva di crescita), mentre condizioni meno che ideali risulteranno in una crescita più lenta. Le cellule nella fase esponenziale della crescita sono le più sane e uniformi, il che spiega perché la maggior parte degli esperimenti utilizza cellule di questa fase.

A causa della prevedibilità della crescita in questa fase, questa fase può essere usata per calcolare matematicamente il tempo necessario alla popolazione batterica per raddoppiare di numero, noto come tempo di generazione (g). Questa informazione è usata dai microbiologi nella ricerca di base, così come nell’industria. Per determinare il tempo di generazione, il logaritmo naturale del numero di cellule può essere tracciato contro il tempo (dove le unità possono variare, a seconda della velocità di crescita per la particolare popolazione), usando un grafico semilogaritmico per generare una linea con una pendenza prevedibile.
La pendenza della linea è uguale a 0,301/g. In alternativa ci si può basare sulla relazione fissa tra il numero iniziale di cellule all’inizio della fase esponenziale e il numero di cellule dopo un certo periodo di tempo, che può essere espresso da:

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

dove N è la concentrazione finale delle cellule, N0 è la concentrazione iniziale delle cellule, e n è il numero di generazioni avvenute tra il periodo di tempo specificato. Il tempo di generazione (g) può essere rappresentato da t/n, dove t è il periodo di tempo specificato in minuti, ore, giorni o mesi. Così, se si conosce la concentrazione delle cellule all’inizio della fase esponenziale della crescita e la concentrazione delle cellule dopo un certo periodo di tempo di crescita esponenziale, il numero di generazioni può essere calcolato. Poi, usando la quantità di tempo in cui la crescita è stata lasciata procedere (t), si può calcolare g.

Fase stazionaria

Tutte le cose belle devono finire (altrimenti i batteri eguaglierebbero la massa della Terra in 7 giorni!) Ad un certo punto la popolazione batterica esaurisce un nutriente/chimico essenziale o la sua crescita è inibita dai suoi stessi prodotti di scarto (è un contenitore chiuso, ricordi?) o dalla mancanza di spazio fisico, facendo entrare le cellule nella fase stazionaria. A questo punto il numero di nuove cellule prodotte è uguale al numero di cellule che muoiono o la crescita è completamente cessata, con un conseguente appiattimento della crescita sulla curva di crescita.

Fisiologicamente le cellule diventano molto diverse in questa fase, poiché cercano di adattarsi alle loro nuove condizioni di fame. Le poche nuove cellule che vengono prodotte sono di dimensioni più piccole, con i bacilli che diventano quasi sferici. La loro membrana plasmatica diventa meno fluida e permeabile, con più molecole idrofobiche sulla superficie che promuovono l’adesione e l’aggregazione cellulare. Il nucleoide si condensa e il DNA si lega con proteine leganti il DNA delle cellule affamate (DPS), per proteggere il DNA dai danni. I cambiamenti sono progettati per permettere alla cellula di sopravvivere più a lungo in condizioni avverse, in attesa di condizioni più ottimali (come un’infusione di nutrienti). Queste stesse strategie sono utilizzate dalle cellule in ambienti oligotrofici o a basso contenuto di nutrienti. È stato ipotizzato che le cellule nel mondo naturale (cioè fuori dal laboratorio) tipicamente esistono per lunghi periodi di tempo in ambienti oligotrofici, con solo sporadiche infusioni di nutrienti che le riportano alla crescita esponenziale per periodi di tempo molto brevi.

Durante la fase stazionaria le cellule sono anche inclini a produrre metaboliti secondari, o metaboliti prodotti dopo la crescita attiva, come gli antibiotici. Le cellule che sono in grado di produrre un’endospora attivano i geni necessari durante questa fase, per iniziare il processo di sporulazione.

Fase di morte o declino

Nell’ultima fase della curva di crescita, la fase di morte o declino, il numero di cellule vitali diminuisce in modo prevedibile (o esponenziale). La ripidità della pendenza corrisponde alla velocità con cui le cellule perdono vitalità. Si pensa che le condizioni della coltura si siano deteriorate a un punto in cui le cellule sono irrimediabilmente danneggiate, poiché le cellule raccolte in questa fase non mostrano crescita quando vengono trasferite in un terreno fresco. È importante notare che se la torbidità di una coltura viene misurata come un modo per determinare la densità delle cellule, le misurazioni potrebbero non diminuire durante questa fase, poiché le cellule potrebbero essere ancora intatte.

È stato suggerito che le cellule ritenute morte potrebbero essere riattivate in condizioni specifiche, una condizione descritta come vitale ma non coltivabile (VBNC). Questo stato potrebbe essere importante per gli agenti patogeni, dove entrano in uno stato di metabolismo molto basso e mancanza di divisione cellulare, solo per riprendere la crescita in un momento successivo, quando le condizioni migliorano.

È stato anche dimostrato che la morte cellulare al 100% è improbabile, per qualsiasi popolazione cellulare, in quanto le cellule mutano per adattarsi alle loro condizioni ambientali, per quanto dure. Spesso si osserva un effetto coda, dove una piccola popolazione di cellule non può essere uccisa. Inoltre, queste cellule potrebbero trarre vantaggio dalla morte delle loro simili, che forniscono nutrimento all’ambiente mentre si decompongono e rilasciano il loro contenuto cellulare.