În condițiile potrivite (hrană, temperatură corectă etc.) microbii se pot dezvolta foarte repede. În funcție de situație, acest lucru poate fi un lucru bun pentru oameni (drojdia care crește în must pentru a face bere) sau un lucru rău (bacteriile care cresc în gât provocând angină streptococică). Este important să avem cunoștințe despre creșterea lor, astfel încât să putem prezice sau controla creșterea lor în anumite condiții.

În timp ce creșterea pentru organismele muticelulare se măsoară de obicei în termeni de creștere a dimensiunii unui singur organism, creșterea microbiană se măsoară prin creșterea populației, fie prin măsurarea creșterii numărului de celule, fie prin creșterea masei totale.

Diviziune bacteriană

Bacteriile și arheele se reproduc numai pe cale asexuată, în timp ce microbii eucartiotici se pot angaja fie în reproducere sexuată, fie asexuată. Bacteriile și archaea se angajează cel mai frecvent într-un proces cunoscut sub numele de fisiune binară, în care o singură celulă se împarte în două celule de dimensiuni egale. Alte procese, mai puțin frecvente, pot include fisiunea multiplă, înmugurirea și producerea de spori.

Procesul începe cu alungirea celulei, care necesită o extindere atentă a membranei celulare și a peretelui celular, pe lângă o creștere a volumului celular. Celula începe să își reproducă ADN-ul, în pregătirea pentru a avea două copii ale cromozomului său, unul pentru fiecare celulă nou formată. Proteina FtsZ este esențială pentru formarea unui sept, care se manifestă inițial ca un inel în mijlocul celulei alungite. După ce nucleoizii sunt segregate la fiecare capăt al celulei alungite, formarea septului este finalizată, divizând celula alungită în două celule fiice de dimensiuni egale. Întregul proces sau ciclu celular poate dura doar 20 de minute pentru o cultură activă de bacterii E. coli.

Curba de creștere

Din moment ce bacteriile sunt ușor de cultivat în laborator, creșterea lor a fost studiată pe scară largă. S-a stabilit că, într-un sistem închis sau într-o cultură discontinuă (fără adaos de hrană, fără eliminarea deșeurilor), bacteriile se vor dezvolta după un model previzibil, rezultând o curbă de creștere compusă din patru faze distincte de creștere: faza de întârziere, faza exponențială sau logaritmică, faza staționară și faza de moarte sau de declin. În plus, această curbă de creștere poate da timpul de generare pentru un anumit organism – timpul necesar pentru ca populația să se dubleze.

Detalii asociate fiecărei curbe de creștere (numărul de celule, durata fiecărei faze, rapiditatea creșterii sau a morții, durata totală) vor varia de la un organism la altul sau chiar cu condiții diferite pentru același organism. Dar tiparul celor patru faze distincte de creștere va rămâne de obicei.

Faza de decalaj

Faza de decalaj este o perioadă de adaptare, în care bacteriile se adaptează la noile lor condiții. Durata fazei de decalaj poate varia considerabil, în funcție de cât de diferite sunt condițiile față de condițiile din care provine bacteria, precum și de starea celulelor bacteriene în sine. Celulele în creștere activă transferate dintr-un tip de mediu în același tip de mediu, cu aceleași condiții de mediu, vor avea cea mai scurtă perioadă de întârziere. Celulele deteriorate vor avea o perioadă de decalaj lungă, deoarece trebuie să se repare înainte de a se putea angaja în reproducere.

În mod obișnuit, celulele aflate în perioada de decalaj sintetizează ARN, enzime și metaboliți esențiali care ar putea lipsi din noul lor mediu (cum ar fi factorii de creștere sau macromoleculele), precum și se adaptează la schimbările de mediu, cum ar fi schimbările de temperatură, pH sau disponibilitatea oxigenului. De asemenea, ele pot întreprinde orice reparație necesară a celulelor rănite.

Faza exponențială sau Log

După ce celulele au acumulat tot ceea ce au nevoie pentru creștere, ele trec la diviziunea celulară. Faza exponențială sau logaritmică de creștere este marcată de dublări previzibile ale populației, în care 1 celulă devine 2 celule, devine 4, devine 8 etc. Condițiile optime pentru celule vor duce la o creștere foarte rapidă (și la o pantă mai abruptă pe curba de creștere), în timp ce condițiile mai puțin ideale vor duce la o creștere mai lentă. Celulele aflate în faza exponențială de creștere sunt cele mai sănătoase și mai uniforme, ceea ce explică de ce majoritatea experimentelor utilizează celule din această fază.

Datorită predictibilității creșterii în această fază, această fază poate fi utilizată pentru a calcula matematic timpul necesar pentru ca populația bacteriană să se dubleze ca număr, cunoscut sub numele de timp de generare (g). Aceste informații sunt utilizate de microbiologi în cercetarea fundamentală, precum și în industrie. Pentru a determina timpul de generare, logaritmul natural al numărului de celule poate fi trasat în funcție de timp (unde unitățile pot varia, în funcție de viteza de creștere a populației respective), folosind un grafic semilogaritmic pentru a genera o linie cu o pantă previzibilă.
Panta liniei este egală cu 0,301/g. Alternativ, ne putem baza pe relația fixă dintre numărul inițial de celule la începutul fazei exponențiale și numărul de celule după o anumită perioadă de timp, care poate fi exprimată prin:

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

unde N este concentrația finală de celule, N0 este concentrația inițială de celule, iar n este numărul de generații care au avut loc între perioada de timp specificată. Timpul de generare (g) poate fi reprezentat prin t/n, t fiind perioada de timp specificată în minute, ore, zile sau luni. Astfel, dacă se cunoaște concentrația celulară la începutul fazei exponențiale de creștere și concentrația celulară după o anumită perioadă de timp de creștere exponențială, se poate calcula numărul de generații. Apoi, folosind perioada de timp în care creșterea a fost lăsată să se desfășoare (t), se poate calcula g.

Faza staționară

Toate lucrurile bune trebuie să aibă un sfârșit (altfel, bacteriile ar egala masa Pământului în 7 zile!). La un moment dat, populația bacteriană rămâne fără un nutrient/chimic esențial sau creșterea sa este inhibată de propriile deșeuri (este un recipient închis, vă amintiți?) sau de lipsa de spațiu fizic, ceea ce face ca celulele să intre în faza staționară. În acest moment, numărul de celule noi produse este egal cu numărul de celule care mor sau creșterea a încetat complet, ceea ce duce la o aplatizare a creșterii pe curba de creștere.

Fiziologic, celulele devin destul de diferite în această etapă, deoarece încearcă să se adapteze la noile condiții de înfometare. Cele câteva celule noi care sunt produse sunt de dimensiuni mai mici, bacilii devenind aproape sferici. Membrana plasmatică devine mai puțin fluidă și permeabilă, cu mai multe molecule hidrofobe la suprafață care favorizează aderența și agregarea celulelor. Nucleoidul se condensează, iar ADN-ul se leagă cu proteine de legare a ADN-ului din celulele înfometate (DPS), pentru a proteja ADN-ul de deteriorare. Modificările sunt concepute pentru a permite celulei să supraviețuiască pentru o perioadă mai lungă de timp în condiții nefavorabile, în așteptarea unor condiții mai optime (cum ar fi o infuzie de nutrienți). Aceleași strategii sunt utilizate de celule în medii oligotrofe sau cu un nivel scăzut de nutrienți. S-a emis ipoteza că celulele din lumea naturală (adică din afara laboratorului) există de obicei pentru perioade lungi de timp în medii oligotrofe, cu doar infuzii sporadice de nutrienți care le readuc la o creștere exponențială pentru perioade foarte scurte de timp.

În timpul fazei staționare, celulele sunt, de asemenea, predispuse să producă metaboliți secundari sau metaboliți produși după o creștere activă, cum ar fi antibioticele. Celulele care sunt capabile să producă un endospor va activa genele necesare în timpul acestei etape, pentru a iniția procesul de sporulație.

Faza de moarte sau declin

În ultima fază a curbei de creștere, faza de moarte sau declin, numărul de celule viabile scade într-un mod previzibil (sau exponențial). Abruptul pantei corespunde vitezei cu care celulele își pierd viabilitatea. Se crede că condițiile de cultură s-au deteriorat până la un punct în care celulele sunt iremediabil afectate, deoarece celulele recoltate din această fază nu mai prezintă creștere atunci când sunt transferate în mediu proaspăt. Este important de reținut că, în cazul în care turbiditatea unei culturi este măsurată ca modalitate de determinare a densității celulare, este posibil ca măsurătorile să nu scadă în timpul acestei faze, deoarece celulele ar putea fi încă intacte.

S-a sugerat că celulele considerate moarte ar putea fi reînviate în condiții specifice, o stare descrisă ca fiind viabilă dar necultivabilă (VBNC). Această stare ar putea fi importantă pentru agenții patogeni, în cazul în care aceștia intră într-o stare de metabolism foarte scăzut și de lipsă de diviziune celulară, doar pentru a-și relua creșterea la un moment ulterior, când condițiile se îmbunătățesc.

S-a demonstrat, de asemenea, că o moarte celulară de 100% este puțin probabilă, pentru orice populație celulară, deoarece celulele suferă mutații pentru a se adapta la condițiile de mediu, oricât de dure ar fi acestea. Adesea se observă un efect de coadă, în care o mică populație de celule nu poate fi eliminată. În plus, aceste celule ar putea beneficia de pe urma morții celulelor similare, care furnizează nutrienți mediului înconjurător pe măsură ce se lizează și își eliberează conținutul celular.

.