Endospore - Endospore

Un preparat colorat al celulei Bacillus subtilis care prezintă endosporii la fel de verzi și celula vegetativă la roșu
Endospori cu lumină de fază a Paenibacillus alvei imaginați cu microscopie cu contrast de fază

Un endospor este o structură latentă , dură și non-reproductivă produsă de unele bacterii din firul Firmicutes . Numele „endospor” sugerează o formă de spori sau semințe ( endo înseamnă înăuntru), dar nu este un spor adevărat (adică nu un descendent). Este o formă latentă, dezactivată, la care bacteria se poate reduce. Formarea endosporilor este de obicei declanșată de lipsa nutrienților și apare de obicei la bacteriile gram-pozitive . În formarea endosporului, bacteria se împarte în peretele său celular, iar o parte o înghite apoi pe cealaltă. Endosporii permit bacteriilor să stea latente pentru perioade îndelungate, chiar secole. Există multe rapoarte despre spori care au rămas viabili peste 10.000 de ani, iar revigorarea sporilor vechi de milioane de ani a fost susținută. Există un raport despre spori viabili de Bacillus marismortui în cristale de sare vechi de aproximativ 250 de milioane de ani. Când mediul devine mai favorabil, endosporul se poate reactiva la starea vegetativă. Majoritatea tipurilor de bacterii nu se pot schimba în forma endosporică. Exemple de specii bacteriene care pot forma endospori includ Bacillus cereus , Bacillus anthracis , Bacillus thuringiensis , Clostridium botulinum și Clostridium tetani .

Endosporul este format din ADN - ul bacteriei , ribozomi și cantități mari de acid dipicolinic . Acidul dipicolinic este o substanță chimică specifică sporilor care pare să ajute la capacitatea endosporilor de a menține latenta. Această substanță chimică reprezintă până la 10% din greutatea uscată a sporilor.

Endosporii pot supraviețui fără nutrienți. Sunt rezistente la radiații ultraviolete , desicare , temperatură ridicată, îngheț extrem și dezinfectanți chimici . Endosporii termorezistenți au fost inițial ipoteziți de Ferdinand Cohn după studierea creșterii Bacillus subtilis pe brânză după fierberea brânzei. Noțiunea sa de spori ca mecanism de reproducere pentru creștere a fost o lovitură importantă pentru sugestiile anterioare ale generației spontane. Astrofizicianul Steinn Sigurdsson a spus: "S-au găsit spori bacterieni viabile care au o vechime de 40 de milioane de ani pe Pământ - și știm că sunt foarte împietriți la radiații". Agenții antibacterieni obișnuiți care acționează prin distrugerea pereților celulari vegetativi nu afectează endosporii. Endosporii se găsesc în mod obișnuit în sol și apă, unde pot supraviețui perioade lungi de timp. O varietate de microorganisme diferite formează „spori” sau „chisturi”, dar endosporii bacteriilor gram-pozitive cu conținut scăzut de G + C sunt de departe cele mai rezistente la condiții dure.

Unele clase de bacterii se pot transforma în exospori, cunoscuți și sub numele de chisturi microbiene , în loc de endospori. Exosporii și endosporii sunt două tipuri de stadii „hibernante” sau inactive aflate în unele clase de microorganisme.

Formarea unui endospor prin procesul de sporulare.

Ciclul de viață al bacteriilor

Ciclul de viață bacterian nu include neapărat sporularea. Condițiile adverse de mediu declanșează de obicei sporularea, astfel încât să ajute la supraviețuirea bacteriei. Endosporii nu prezintă semne de viață și pot fi astfel descriși ca fiind criptobiotici . Endosporii își păstrează viabilitatea la nesfârșit și pot germina în celule vegetative în condițiile adecvate. Endosporii au supraviețuit mii de ani până când stimulii de mediu declanșează germinarea. Au fost caracterizate ca fiind cele mai durabile celule produse în natură.

Structura

Variații ale morfologiei endosporului: (1, 4) endospor central; (2, 3, 5) endospor terminal; (6) endospor lateral

Bacteriile produc un singur endospor intern. Sporul este uneori înconjurat de o acoperire subțire cunoscută sub numele de exosporium , care acoperă stratul de spori . Stratul de spori, care acționează ca o sită care exclude molecule toxice mari precum lizozimul , este rezistent la multe molecule toxice și poate conține, de asemenea, enzime care sunt implicate în germinare . La endosporii Bacillus subtilus , se estimează că stratul de spori conține mai mult de 70 de proteine ​​de strat, care sunt organizate într-un strat de strat interior și unul exterior. Modelul de difracție cu raze X al endosporilor B. subtilis purificați indică prezența unei componente cu o structură periodică regulată, despre care Kadota și Iijima au speculat că ar putea fi formate dintr-o proteină asemănătoare keratinei. Cu toate acestea, după studii suplimentare, acest grup a concluzionat că structura proteinei de acoperire a sporilor era diferită de cheratină. Când genomul B. subtilis a fost secvențiat, nu a fost detectat nici un ortolog de keratină umană. De cortex se afla sub strat de spori și constă din peptidoglican . De bază de perete se afla sub cortexul și înconjoară de protoplaști sau miez al endospori. Nucleul conține ADN-ul cromozomial al sporei, care este încorporat în proteine ​​asemănătoare cromatinei , cunoscute sub numele de SASP (proteine ​​mici ale sporilor solubili în acid), care protejează ADN-ul sporei de radiațiile UV și căldură. Nucleul conține, de asemenea, structuri celulare normale, cum ar fi ribozomi și alte enzime , dar nu este activ din punct de vedere metabolic.

Până la 20% din greutatea uscată a endosporului constă din dipicolinat de calciu în interiorul miezului, despre care se crede că stabilizează ADN - ul . Acidul dipicolinic ar putea fi responsabil pentru rezistența la căldură a sporilor, iar calciul poate ajuta la rezistența la căldură și la agenții oxidanți. Cu toate acestea, mutanții rezistenți la căldură, dar lipsiți de acid dipicolinic, au fost izolați, sugerând că și alte mecanisme care contribuie la rezistența la căldură sunt la lucru. Proteinele mici solubile în acid (SASP) se găsesc în endospori. Aceste proteine ​​se leagă strâns și condensează ADN-ul și sunt parțial responsabile de rezistența la lumina UV și substanțele chimice care dăunează ADN-ului.

Vizualizarea endosporilor la microscopie cu lumină poate fi dificilă datorită impermeabilității peretelui endosporului la coloranți și pete. În timp ce restul unei celule bacteriene se poate pata, endosporul este lăsat incolor. Pentru a combate acest lucru, se folosește o tehnică specială de colorare numită petă Moeller . Acest lucru permite endosporului să apară ca roșu, în timp ce restul celulei se colorează în albastru. O altă tehnică de colorare pentru endospori este colorarea Schaeffer-Fulton , care colorează endosporii verzi și corpurile bacteriene roșii. Aranjamentul straturilor de spori este după cum urmează:

  • Exosporium
  • Haina de spori
  • Cortexul sporic
  • Peretele de bază

Locație

Poziția endosporului diferă între speciile bacteriene și este utilă în identificare. Principalele tipuri din interiorul celulei sunt endospori terminali, subterminali și centrali. Endosporii terminali sunt văzuți la polii celulelor, în timp ce endosporii centrali sunt mai mult sau mai puțin la mijloc. Endosporii subterminali sunt cei dintre aceste două extreme, de obicei văzute suficient de departe spre poli, dar suficient de aproape de centru pentru a nu fi considerate nici terminale, nici centrale. Endosporii laterali sunt observați ocazional.

Exemple de bacterii care au endospori terminali includ Clostridium tetani , agentul patogen care cauzează boala tetanos . Bacteriile având un endospor plasat central includ Bacillus cereus . Uneori, endosporul poate fi atât de mare încât celula poate fi distinsă în jurul endosporului. Acest lucru este tipic pentru Clostridium tetani .

Formare și distrugere

Formarea și ciclul endosporului
Informații suplimentare: Plasticitatea morfologică bacteriană

În condiții de foame, în special lipsa de surse de carbon și azot, se formează un singur endospor în interiorul unora dintre bacterii printr-un proces numit sporulare.

Atunci când o bacterie detectează că condițiile de mediu devin nefavorabile, aceasta poate începe procesul de endosporulare, care durează aproximativ opt ore. ADN - ul este replicat și un perete membrană cunoscut ca un spor septum începe să se formeze între acesta și restul celulei. Membrana plasmatică a celulei înconjoară acest perete și ciupituri off pentru a lăsa o membrană dublă în jurul ADN - ului, iar structura in curs de dezvoltare este acum cunoscut ca forespore. Dipicolinatul de calciu, sarea de calciu a acidului dipicolinic, este încorporată în forespora în acest timp. Acidul dipicolinic ajută la stabilizarea proteinelor și ADN-ului din endospor. În continuare, cortexul peptidoglican se formează între cele două straturi, iar bacteria adaugă un strat de spori în exteriorul anteporului. În ultimele etape de formare a endosporului, noul endospor care se formează este deshidratat și lăsat să se maturizeze înainte de a fi eliberat din celula mamă. Cortexul este ceea ce face ca endosporul să fie atât de rezistent la temperatură. Cortexul conține o membrană interioară cunoscută sub numele de miez. Membrana interioară care înconjoară acest miez duce la rezistența endosporului împotriva luminii UV și a substanțelor chimice dure care ar distruge în mod normal microbii. Sporularea este acum completă, iar endosporul matur va fi eliberat atunci când celula vegetativă din jur este degradată.

Endosporii sunt rezistenți la majoritatea agenților care ar ucide în mod normal celulele vegetative din care s-au format. Spre deosebire de celulele persistente , endosporii sunt rezultatul unui proces de diferențiere morfologică declanșat de limitarea nutrienților (foamete) în mediu; endosporularea este inițiată prin detectarea cvorumului în cadrul populației „înfometate”. Majoritatea dezinfectanților, cum ar fi produsele de curățat de uz casnic, alcoolii , compușii cuaternari de amoniu și detergenții au un efect redus asupra endosporilor. Cu toate acestea, agenții sterilanți de alchilare , cum ar fi oxidul de etilenă (ETO) și înălbitor 10%, sunt eficienți împotriva endosporilor. Pentru a ucide majoritatea sporilor de antrax , înălbitorul standard de uz casnic (cu 10% hipoclorit de sodiu ) trebuie să fie în contact cu sporii cel puțin câteva minute; o proporție foarte mică de spori poate supraviețui mai mult de 10 minute într-o astfel de soluție. Concentrațiile mai mari de înălbitor nu sunt mai eficiente și pot provoca agregarea unor tipuri de bacterii și, astfel, să supraviețuiască.

Deși sunt semnificativ rezistente la căldură și radiații, endosporii pot fi distruși prin ardere sau prin autoclavare la o temperatură care depășește punctul de fierbere al apei, 100 ° C. Endosporii sunt capabili să supraviețuiască la 100 ° C ore întregi, deși cu cât numărul de ore este mai mare, cu atât mai puține vor supraviețui. O modalitate indirectă de a le distruge este plasarea lor într-un mediu care le reactivează la starea lor vegetativă. Vor germina într-o zi sau două cu condițiile de mediu potrivite, iar apoi celulele vegetative, nu la fel de rezistente ca endosporii, pot fi distruse direct. Această metodă indirectă se numește tyndallization . A fost metoda obișnuită pentru o vreme la sfârșitul secolului al XIX-lea înainte de introducerea autoclavelor ieftine. Expunerea prelungită la radiații ionizante , cum ar fi razele X și razele gamma , va ucide, de asemenea, majoritatea endosporilor.

Endosporii anumitor tipuri de bacterii (de obicei nepatogene), cum ar fi Geobacillus stearothermophilus , sunt folosite ca sonde pentru a verifica dacă un articol autoclavizat a fost cu adevărat steril: o capsulă mică care conține sporii este introdusă în autoclavă cu articolele; după ciclu, conținutul capsulei este cultivat pentru a verifica dacă va crește ceva din ea. Dacă nimic nu va crește, atunci sporii au fost distruși și sterilizarea a avut succes.

În spitale, endosporii pe instrumente invazive delicate, cum ar fi endoscoapele, sunt uciși de sterilizatori cu oxid de etilenă cu temperatură scăzută și necorozivi. Oxidul de etilenă este singurul sterilizant la temperatură scăzută care oprește focarele pe aceste instrumente. În schimb, „dezinfectarea la nivel înalt” nu distruge endosporii, ci este utilizată pentru instrumente precum colonoscopul care nu intră în cavitățile corporale sterile. Această din urmă metodă folosește doar apă caldă, enzime și detergenți.

Endosporii bacterieni sunt rezistenți la antibiotice, la majoritatea dezinfectanților și la agenți fizici precum radiațiile, fierberea și uscarea. Se consideră că impermeabilitatea stratului de spori este responsabilă pentru rezistența endosporului la substanțe chimice. Rezistența la căldură a endosporilor se datorează unei varietăți de factori:

  • Dipicolinatul de calciu, abundent în endospor, poate stabiliza și proteja ADN-ul endosporului.
  • Proteinele mici solubile în acid (SASP) saturează ADN-ul endosporului și îl protejează de căldură, uscare, substanțe chimice și radiații. De asemenea, ele funcționează ca o sursă de carbon și energie pentru dezvoltarea unei bacterii vegetative în timpul germinării.
  • Cortexul poate elimina în mod osmotic apa din interiorul endosporului și deshidratarea care rezultă este considerată a fi foarte importantă în rezistența endosporului la căldură și radiații.
  • În cele din urmă, enzimele de reparare a ADN-ului conținute în endospor sunt capabile să repare ADN-ul deteriorat în timpul germinării.

Reactivare

Reactivarea endosporului are loc atunci când condițiile sunt mai favorabile și implică activarea , germinarea și creșterea . Chiar dacă un endospor este localizat în nutrienți abundenți, poate să nu germineze decât dacă a avut loc activarea. Acest lucru poate fi declanșat prin încălzirea endosporului. Germinarea implică endosporul latent care începe activitatea metabolică și astfel rupe hibernarea. Se caracterizează de obicei prin ruperea sau absorbția stratului de spori, umflarea endosporului, o creștere a activității metabolice și pierderea rezistenței la stresul mediului.

Dezvoltarea urmează germinării și implică nucleul endosporului fabricarea de noi componente chimice și ieșirea din vechiul strat de spori pentru a se dezvolta într-o celulă bacteriană vegetativă complet funcțională, care se poate diviza pentru a produce mai multe celule.

Endosporii posedă de cinci ori mai mult sulf decât celulele vegetative. Acest exces de sulf este concentrat în straturi de spori ca un aminoacid, cisteina . Se crede că macromolecula responsabilă pentru menținerea stării latente are un strat proteic bogat în cistină, stabilizat prin legături SS. O reducere a acestor legături are potențialul de a schimba structura terțiară, determinând desfășurarea proteinei. Se consideră că această modificare conformațională a proteinei este responsabilă pentru expunerea siturilor enzimatice active necesare germinării endosporului.

Endosporii pot rămâne în stare latentă o perioadă foarte lungă de timp. De exemplu, endosporii au fost găsiți în mormintele faraonilor egipteni. Când au fost plasate într-un mediu adecvat, în condiții adecvate, acestea au putut fi reactivate. În 1995, Raul Cano de la Universitatea de Stat Politehnica din California a găsit spori bacterieni în intestinul unei albine fosilizate prinse în chihlimbar dintr-un copac din Republica Dominicană. Albina fosilizată în chihlimbar a fost datată cu o vechime de aproximativ 25 de milioane de ani. Sporii au germinat atunci când chihlimbarul a fost deschis și materialul din intestinul albinei a fost extras și plasat în mediu nutritiv. După ce sporii au fost analizați prin microscopie, s-a stabilit că celulele erau foarte asemănătoare cu Bacillus sphaericus care se găsește astăzi în albinele din Republica Dominicană.

Importanţă

Ca model simplificat pentru diferențierea celulară , detaliile moleculare ale formării endosporilor au fost studiate pe larg, în mod specific în organismul model Bacillus subtilis . Aceste studii au contribuit mult la înțelegerea noastră asupra reglării expresiei genelor , a factorilor de transcripție și a subunităților factorului sigma ale ARN polimerazei .

Endosporii bacteriei Bacillus anthracis au fost folosiți în atacurile antrax din 2001 . Pulberea găsită în scrisorile poștale contaminate a fost formată din endospori de antrax. Această distribuție intenționată a dus la 22 de cazuri cunoscute de antrax (11 prin inhalare și 11 cutanate). Rata mortalității în rândul pacienților cu antrax prin inhalare a fost de 45% (5/11). Ceilalți șase indivizi cu antrax prin inhalare și toți indivizii cu antrax cutanat și-au revenit. Dacă nu ar fi fost tratamentul cu antibiotice, multe altele ar fi putut fi afectate.

Conform documentelor veterinare ale OMS, B. anthracis sporulează când vede oxigen în loc de dioxidul de carbon prezent în sângele mamiferelor; acest lucru semnalează bacteriilor că a ajuns la sfârșitul animalului și este utilă o morfologie dispersabilă inactivă.

Sporularea necesită prezența oxigenului liber. În situația naturală, aceasta înseamnă că ciclurile vegetative apar în mediul cu oxigen scăzut al gazdei infectate și, în cadrul gazdei, organismul este exclusiv sub forma vegetativă. o dată în afara gazdei, sporularea începe la expunerea la aer, iar formele de spori sunt în esență faza exclusivă în mediu.

Biotehnologie

Sporii Bacillus subtilis sunt utili pentru exprimarea proteinelor recombinante și în special pentru afișarea de suprafață a peptidelor și proteinelor ca instrument pentru cercetarea fundamentală și aplicată în domeniile microbiologiei, biotehnologiei și vaccinării.

Bacterii formatoare de endospori

Exemple de bacterii formatoare de endospori includ genurile:

Vezi si

Referințe

linkuri externe