Chương 3

Động học sinh trưởng của tế bào

I. Mở đầu
Hiểu biết đầy đủ động học sinh trưởng của các tế bào thực vật,
động vật và vi sinh vật là rất cần thiết để thiết kế và hoạt động các hệ lên
men. Động học tế bào có quan hệ với tốc độ sinh trưởng tế bào và chịu
ảnh hưởng của các điều kiện vật lý và hóa học.
Động học tế bào là kết quả của hệ thống các phả
n ứng hóa sinh và
các quá trình vận chuyển phức tạp, bao gồm nhiều pha và các hệ thống
nhiều thành phần. Trong suốt thời gian sinh trưởng, hỗn hợp không đồng
nhất của các tế bào già và non thay đổi liên tục và tự thích nghi với môi
trường dinh dưỡng là yếu tố cũng thay đổi liên tục trong các điều kiện
vật lý và hóa học. Nói chung, mô hình toán học chính xác của động học
sinh trưởng là không có thể có được. Thậm chí một mô hình thực tế c
ũng
khó tiếp cận bởi vì nó có thể chứa nhiều thông số không thể xác định.
Vì thế, chúng ta cần giả định có thể đạt được những mô hình đơn
giản như vậy sẽ hữu ích hơn cho việc thiết kế hệ thống lên men (xem
chương 4) và dự báo hiệu suất. Các mô hình khác nhau có thể được phát
triển trên cơ sở các giả định về các thành phần và quần thể tế bào như
trình bày trong bả
ng 3.1.
Ngoài các giả định đối với tế bào, môi trường được thiết kế sao cho
chỉ một thành phần có thể giới hạn tốc độ phản ứng, còn tất cả các thành
phần khác hiện diện ở các nồng độ đủ cao mà những thay đổi nhỏ của
chúng không ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phản ứng. Các hệ thống lên
men cũng được kiểm soát sao cho các thông số môi trường như
pH, nhiệt

độ và nồng độ oxygen hòa tan được duy trì ở một mức độ không đổi.
Trong chương này, các phương trình động học tế bào bắt nguồn từ
mô hình được phân phối, không cấu trúc. Các phương trình này được ứng
dụng để thiết kế và phân tích các hệ lên men lý tưởng.
Công nghệ tế bào
23
Bảng 3.1. Các mô hình khác nhau của động học tế bào.

Các thành phần tế bào

Quần thể
Không cấu trúc
(unstructured)
Được cấu trúc
(structured)
Được phân phối
(distributed)
Các tế bào được đại diện
bởi một thành phần đơn,
phân phối không đồng đều
trong quá trình nuôi cấy.
Các tế bào bao gồm nhiều
thành phần phức tạp phân
phối không đồng đều trong
quá trình nuôi cấy.
Bị cô lập
(segregated)
Các tế bào được đại diện
bởi một thành phần đơn, và
tạo thành một hỗn hợp

không đồng nhất.
Các tế bào bao gồm nhiều
thành phần phức tạp và tạo
thành hỗn hợp không đồng
nhất.

II. Định nghĩa
Trước tiên, chúng ta hãy định nghĩa một số thuật ngữ dùng cho sinh
trưởng của tế bào. Nếu đề cập đến nồng độ tế bào mà không kèm theo bất
kỳ một ghi chú đặc điểm nào, thì nó có thể được hiểu theo nhiều nghĩa khác
nhau. Đó có thể là số lượng tế bào, trọng lượng tươi tế bào, hoặc trọng
lượng khô tế bào trên một đơn vị thể tích. Trong chương này, chúng ta
thống nhấ
t các thuật ngữ sau:
C
X
: nồng độ tế bào, trọng lượng khô tế bào trên một đơn vị thể tích.
C
N
: mật độ số lượng tế bào, số lượng tế bào trên một đơn vị thể tích.
ρ
: mật độ tế bào, trọng lượng tươi tế bào trên một đơn vị thể tích của
khối lượng tế bào.
Từ đó, có thể định nghĩa tốc độ sinh trưởng của tế bào theo một số
cách khác nhau như sau:
dC
X
/dt: sự thay đổi nồng độ khô của tế bào theo thời gian.
r
X

: tốc độ sinh trưởng của tế bào trên cơ sở trọng lượng khô.
dC
N
/dt: sự thay đổi mật độ số lượng tế bào theo thời gian.
r
N
: tốc độ sinh trưởng của tế bào trên cơ sở số lượng.
δ
: tốc độ phân chia của tế bào trên cơ sở số lượng dtCd
N
/log
2
Công nghệ tế bào
24
Dường như và luôn luôn giống nhau, nhưng thực ra không
phải như vậy. Giá trị là sự thay đổi nồng độ tế bào trong hệ lên
men, là yếu tố có thể bao gồm hiệu quả của tốc độ dòng chảy đi vào và đi ra,
sự tái sinh tế bào, và các điều kiện hoạt động khác của hệ lên men. Trong
khi đó
là tốc độ sinh trưởng thực tế của tế bào. Hai giá trị này chỉ giống
nhau trong trường hợp hoạt động lên men mẻ.
dtdC
X
/
X
r
dtdC
X
/
X

r
Tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào và tốc độ sinh trưởng dựa
trên trọng lượng tế bào không nhất thiết phải giống nhau, bởi vì kích thước
trung bình của các tế bào có thể rất khác nhau khi chuyển từ pha sinh trưởng
này đến pha sinh trưởng khác. Khi sinh khối của một tế
bào riêng biệt tăng
lên mà không có sự phân chia, thì tốc độ sinh trưởng dựa trên trọng lượng tế
bào cũng tăng lên, trong khi tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào lại
giữ nguyên. Tuy nhiên, trong suốt thời gian sinh trưởng theo hàm mũ, pha
sinh trưởng mà chúng ta quan tâm nhất dưới quan điểm của công nghệ, thì
tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào và tốc độ sinh trưởng dựa trên
trọng lượng tế bào có thể
được giả định là tương đương nhau.
Trong một số trường hợp tốc độ sinh trưởng bị nhầm lẫn với tốc độ
phân chia, là khái niệm được định nghĩa như là tốc độ phân chia tế bào trên
một đơn vị thời gian. Nếu tất cả tế bào trong bình nuôi cấy ở thời điểm
(C
0=t
N
= C
No
) phân chia chỉ sau một thời gian nhất định, thì quần thể tế
bào sẽ tăng lên ×2 lần. Nếu các tế bào được phân chia n lần sau thời
gian t, thì số lượng tổng số của tế bào sẽ là:
0
N
C
n
NN
CC 2

0
×=

(3.1)
Và tốc độ phân chia trung bình là:
t
n
=
δ

(3.2)
Vì
0
22
loglog
NN
CCn −=
theo phương trình 3.1, nên tốc độ phân chia
trung bình sẽ là:
( )
0
22
loglog
1
NN
CC
t
δ −=

(3.3)

Và tốc độ phân chia ở thời gian t là:
Công nghệ tế bào
25
dt
Cd
δ
N2
log
=

(3.4)

Vì thế, tốc độ sinh trưởng (được định nghĩa là sự thay đổi số lượng tế
bào theo thời gian) chính là độ dốc của đường cong C
N
theo t. Trong khi đó,
tốc độ phân chia là độ dốc của đường cong log
2
C
N
theo t. Như đã giải thích,
tốc độ phân chia là hằng số trong suốt thời gian sinh trưởng theo hàm mũ,
trong khi đó tốc độ sinh trưởng lại không như vậy. Vì thế, hai khái niệm này
không được nhầm lẫn với nhau.

III. Chu kỳ sinh trưởng của nuôi cấy mẻ
Nếu nuôi cấy các vi sinh vật đơn bào trong môi trường vô trùng sạch
và đo mật độ số lượng tế bào theo thời gian thì trên đồ thị của nó ta có thể
thấy có sáu pha sinh trưởng và chết của tế bào (Hình 3.1), đó là:
- Pha lag. Là thời gian khi sự thay đổi số lượng tế bào bằng không.

- Pha sinh trưởng nhanh. Số lượng tế bào bắt đầu tăng và tốc độ
phân chia đạt đến cực đại.
- Pha sinh trưởng theo hàm mũ. Số lượng tế bào tăng theo hàm mũ
khi tế bào bắt đầu phân chia, tốc độ sinh trưởng tăng lên trong suốt pha này,
nhưng tốc độ phân chia tỷ lệ với
, là hằng số ở giá trị cực đại của
nó, như được minh họa ở hình 3.1.
dtCd
N
/ln
- Pha sinh trưởng chậm. Khi tốc độ sinh trưởng đạt đến cực đại, thì
giai đoạn tiếp theo là pha sinh trưởng chậm trong đó cả hai tốc độ sinh
trưởng và tốc độ phân chia đều giảm.
- Pha tĩnh. Quần thể tế bào đạt đến giá trị cực đại và sẽ không tăng
thêm nữa.
- Pha chết. Sau khi các chất dinh dưỡng của tế bào cạn kiệt, tế bào sẽ
bắt đầu chết và số lượng tế bào sống sót sẽ giảm.

1. Pha lag
Pha lag (hoặc pha tĩnh khởi đầu hoặc tiềm tàng) là thời kỳ khởi đầu
của quá trình nuôi cấy, trong suốt thời kỳ này sự thay đổi số lượng tế bào là
bằng không hoặc không đáng kể. Mặc dù số lượng t
ế bào không tăng lên,
Công nghệ tế bào
26
nhưng tế bào có thể sinh trưởng bằng cách tăng kích thước trong suốt thời
kỳ này.























12



10



8






1,5


1,0


0,5


0

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

-0,2



ln
N

C









5
10
−
×
N
C







dt
Cd
N
ln





A B C D E F

t


t


t


Hình 3.1. Đường cong sinh trưởng đặc trưng của các cơ thể đơn bào. (A) pha lag,
(B) pha sinh trưởng nhanh, (C) pha sinh trưởng theo hàm mũ, (D) pha sinh trưởng
chậm, (E) pha tĩnh, (F) pha chết.

Độ dài của pha lag tùy thuộc vào nhiều nhân tố, chẳng hạn như loại và
tuổi của cơ thể vi sinh vật (hoặc tế bào động-thực vật), và các điều kiện nuôi
cấy. Pha lag thường xuất hiện do tế bào phải điều chỉnh với môi trường mới
trước khi sự sinh trưởng có thể bắt đầu. Nếu vi sinh vật được cấy từ môi
trường có nồng độ ch
ất dinh dưỡng thấp vào môi trường có nồng độ chất
Công nghệ tế bào
27