ENDOSPORY: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA, POWSTAWANIE, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2024

W endospory są formami przeżycia pewnych bakterii, składa się z komórek zawieszonych odwodnionej powlekanych warstw ochronnych wyjątkowo dużych odporności na agresję chemiczną i fizyczną. W przypadku braku składników odżywczych są w stanie przetrwać w nieskończoność. Powstają wewnątrz bakterii.

Endospory są najbardziej odpornymi znanymi organizmami żywymi. Mogą przetrwać wysokie temperatury, światło ultrafioletowe, promieniowanie gamma, wysuszenie, osmozę, czynniki chemiczne i hydrolizę enzymatyczną.

Źródło: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Kiedy determinują to warunki środowiskowe, endospory kiełkują, dając początek aktywnym bakteriom, które żywią się i rozmnażają.

Endospory to rodzaj zarodników. Istnieją grzyby, pierwotniaki, glony i rośliny, które wytwarzają własne typy. Przetrwalniki nie mają funkcji rozrodczych: każda komórka bakteryjna wytwarza tylko jedną. W innych organizmach wręcz przeciwnie, mogą pełnić funkcję reprodukcyjną.

Historia

W połowie XVII wieku holenderski handlarz suknem i pionier mikrobiologii Antonie van Leeuwenhoek, używając pomysłowych mikroskopów zaprojektowanych i wykonanych przez siebie, jako pierwszy zaobserwował żywe mikroorganizmy, w tym pierwotniaki, algi, drożdże, grzyby i bakterie.

W 1859 roku Francuska Akademia Nauk sponsorowała konkurs, w którym uczestniczył francuski chemik Louis Pasteur. Celem było rzucenie światła na eksperyment dotyczący „spontanicznego generowania”, tysiącletniej hipotezy, która sugerowała, że ​​życie może powstać z „sił witalnych” lub „substancji przenoszonych” obecnych w materii nieożywionej lub rozkładającej się.

Pasteur wykazał, że podobnie jak w przypadku wina, powietrze i cząsteczki stałe są źródłem drobnoustrojów, które rosną w bulionach hodowlanych, uprzednio sterylizowanych ciepłem. Wkrótce potem, w 1877 roku, angielski fizyk John Tyndall potwierdził obserwacje Pasteura, zadając ostateczny cios hipotezie spontanicznego pokolenia.

Tyndall dostarczył również dowodów na wyjątkowo odporne na ciepło formy bakterii. Niezależnie, w latach 1872-1885, niemiecki botanik Ferdinand Cohn, uważany za twórcę nowoczesnej mikrobiologii, szczegółowo opisał bakteryjne przetrwalniki.

Długość życia

Większość organizmów żyje w środowiskach, które różnią się w czasie i przestrzeni. Powszechną strategią przetrwania w warunkach środowiskowych czasowo nieodpowiednich do wzrostu i rozmnażania jest wejście w stan odwracalnego spoczynku, podczas którego jednostki chronią się w strukturach ochronnych i minimalizują wydatek energetyczny.

Przejście między stanami aktywnymi i utajonymi jest kosztowne metabolicznie. Ta inwestycja jest większa, gdy jednostki muszą zbudować własne struktury ochronne, czy to złożone z egzogennych materiałów, czy też poddane biosyntezie. Ponadto jednostki muszą być w stanie reagować na bodźce środowiskowe, które powodują przejście.

Opóźnienie generuje rezerwuar uśpionych osobników, który może zostać aktywowany, gdy pojawią się sprzyjające warunki. Zbiorniki te pozwalają na ochronę populacji i ich różnorodności genetycznej. Jeśli chodzi o bakterie chorobotwórcze wytwarzające przetrwalniki, latencja ułatwia ich przenoszenie i utrudnia ich zwalczanie.

Przetrwalniki bakteryjne mogą pozostać żywotne przez wiele lat. Argumentowano, że przetrwalniki zachowane w starożytnych podłożach, takich jak wieczna zmarzlina, osady wodne, podziemne złoża soli lub bursztyn, mogą zachować żywotność przez tysiące, a nawet miliony lat.

Obserwacja

Wizualizacja położenia i innych cech przetrwalników jest bardzo przydatna do identyfikacji gatunków bakterii.

Endospory można zobaczyć za pomocą mikroskopu świetlnego. U bakterii poddanych barwieniu metodą Grama lub błękitem metylenowym wyróżnia się je jako bezbarwne obszary w obrębie wegetatywnej komórki bakteryjnej. Dzieje się tak, ponieważ ściany przetrwalników są odporne na penetrację przez zwykłe odczynniki barwiące.

Opracowano specyficzną metodę barwienia przetrwalników, znaną jako barwienie różnicowe Schaeffera-Fultona, dzięki której są one wyraźnie widoczne. Ta metoda pozwala na wizualizację zarówno tych, które znajdują się wewnątrz komórki wegetatywnej bakterii, jak i tych, które są poza nią.

Metoda Schaeffera-Fultona opiera się na zdolności zieleni malachitowej do barwienia ścian przetrwalników. Po zastosowaniu tej substancji do barwienia komórek wegetatywnych stosuje się safraninę.

Rezultatem jest zróżnicowane barwienie przetrwalników i komórek wegetatywnych. Pierwsza przybiera kolor zielony, a druga różowawy.

Struktura

W komórce wegetatywnej lub sporangium endospory mogą znajdować się na końcu, podterminalnie lub centralnie. Ta forma bakterii ma cztery warstwy: rdzeń, ścianę zarodkową, korę i pokrywę. U niektórych gatunków występuje piąta zewnętrzna warstwa błoniasta zwana exosporium, składająca się z lipoprotein zawierających węglowodany.

Rdzeń lub środek jest protoplastem endospory. Zawiera chromosom, rybosomy i glikolityczny system generujący energię. Może nie mieć cytochromów, nawet u gatunków tlenowych.

Energia do kiełkowania jest przechowywana w 3-fosfoglicerynianie (nie ma ATP). Posiada wysokie stężenie kwasu dipikolinowego (5–15% suchej masy endospory).

Ściana zarodników zarodników otacza błonę szpikową. Zawiera typowy peptydoglikan, który podczas geminacji staje się ścianą komórkową komórki wegetatywnej.

Kora jest najgrubszą warstwą endospory. Otacza ścianę zarodkową. Zawiera atypowy peptydoglikan, z mniejszą liczbą usieciowań niż typowy, co czyni go bardzo wrażliwym na autolizę przez lizozymy, niezbędną do kiełkowania.

Płaszcz składa się z keratynopodobnego białka, które zawiera liczne wewnątrzcząsteczkowe wiązania dwusiarczkowe. Otacza korę. Jego nieprzepuszczalność zapewnia odporność na ataki chemiczne.

Fizjologia

Wydaje się, że kwas dipikolinowy odgrywa rolę w utrzymaniu latencji, stabilizacji DNA i odporności na ciepło. Obecność małych rozpuszczalnych białek w tym kwasie nasyca DNA i chroni je przed ciepłem, wysuszeniem, światłem ultrafioletowym i chemikaliami.

Synteza atypowego peptydoglikanu rozpoczyna się, gdy tworzy się asymetryczna przegroda, która dzieli komórkę wegetatywną. W ten sposób peptydoglikan dzieli komórkę macierzystą, w której powstanie prespore, na dwa przedziały. Peptydoglikan chroni go przed zaburzeniami równowagi osmotycznej.

Kora osmotycznie usuwa wodę z protoplastu, czyniąc go bardziej odpornym na uszkodzenia cieplne i radiacyjne.

Endospory zawierają enzymy naprawiające DNA, które działają podczas aktywacji szpiku i późniejszego kiełkowania.

Sporulacja

Proces tworzenia endospory z wegetatywnej komórki bakteryjnej nazywany jest sporulacją lub sporogenezą.

Przetrwalniki występują częściej, gdy brakuje pewnych krytycznych składników odżywczych. Może również występować produkcja przetrwalników, stanowiąca zabezpieczenie na życie przed wyginięciem, gdy występuje dużo składników odżywczych i inne warunki środowiskowe są sprzyjające.

Sporulacja składa się z pięciu faz:

1) Powstanie przegrody (błona rdzeniowa, ściana zarodkowa zarodnika). Izolowana jest część cytoplazmy (przyszły rdzeń) i zreplikowany chromosom.

2) Powstaje ściana zarodkowa zarodników.

3) Kora jest syntetyzowana.

4) Osłona jest uformowana.

5) Wegetatywna komórka degraduje się i obumiera, uwalniając w ten sposób przetrwalnik.

Kiełkowanie

Proces, w którym endospora przekształca się w komórkę wegetatywną, nazywany jest kiełkowaniem. Jest to wywoływane przez enzymatyczny rozpad powłoki endospory, która umożliwia nawodnienie szpiku i wznowienie aktywności metabolicznej.

Kiełkowanie składa się z trzech faz:

1) Aktywacja. Występuje, gdy otarcie, środek chemiczny lub ciepło uszkodzą okładkę.

2) Kiełkowanie (lub inicjacja). Rozpoczyna się, gdy warunki środowiskowe są sprzyjające. Peptydoglikan ulega degradacji, uwalnia się kwas dipikolinowy, a komórka jest nawodniona.

3) Epidemia. Kora ulega degradacji, a biosynteza i podział komórek wznawiają się.

Patologia

Przetrwalniki bakterii chorobotwórczych stanowią poważny problem zdrowotny ze względu na ich odporność na ogrzewanie, zamrażanie, odwodnienie i promieniowanie, które zabijają komórki wegetatywne.

Na przykład niektóre przetrwalniki mogą przetrwać kilka godzin we wrzącej wodzie (100 ° C). Natomiast komórki wegetatywne nie są odporne na temperatury powyżej 70 ° C.

Niektóre wytwarzające przetrwalniki bakterie z rodzajów Clostridium i Bacillus wydzielają silne toksyny białkowe, które powodują botulizm, tężec i wąglika.

W zależności od przypadku, zabiegi obejmują płukanie żołądka, oczyszczanie ran, antybiotyki lub terapię antytoksynową. Środki zapobiegawcze obejmują higienę, sterylizację i szczepienia.

Botulizm

Spowodowane jest zakażeniem zarodnikami Clostridium botulinum. Jej najbardziej oczywistym objawem jest paraliż mięśni, po którym może nastąpić śmierć. Jego częstość występowania jest niska.

Istnieją trzy rodzaje botulizmu. Infantylność jest spowodowana spożyciem miodu lub innych dodatków zanieczyszczonych powietrzem, które zostały dodane do mleka. Z kolei żywność jest wytwarzana przez spożycie skażonej żywności (np. Konserwy), surowej lub źle ugotowanej. Wreszcie kontakt z ziemią, która jest naturalnym siedliskiem C. botulinum, powoduje obrażenia.

Tężec

Jest to spowodowane przez Clostridium tetani. Jej objawy obejmują bardzo bolesne skurcze mięśni (po grecku słowo „tężec” oznacza skurcz) i tak silne, że mogą powodować złamania kości. Często kończy się śmiercią. Jego częstość występowania jest niska.

Zakaźne zarodniki C. tetani zazwyczaj dostają się do organizmu przez ranę, w której kiełkują. Podczas wzrostu, który wymaga słabego natlenienia rany, komórki wegetatywne wytwarzają toksynę tężcową.

Bakterie i ich przetrwalniki są powszechne w środowisku, w tym w glebie. Znaleziono je w odchodach ludzi i zwierząt.

Wąglik

Wywołuje ją Bacillus anthracis. Objawy różnią się znacznie w zależności od środowiska i miejsca zakażenia. Jest to poważna i często śmiertelna choroba. Jego częstość występowania jest umiarkowanie wysoka, powodując epidemie u zwierząt i ludzi. W XVIII wieku wąglik zdziesiątkował europejskie owce.

Jego naturalnym żywicielem są ssaki roślinożerne. Ludzie zarażają się przez kontakt (zwykle zawodowy) ze zwierzętami lub przez kontakt z produktami zwierzęcymi lub ich spożycie.

Istnieją trzy rodzaje wąglika:

1) na skórę. Wejście jest spowodowane urazami. Na skórze tworzą się czarniawe, martwicze wrzody.

2) Wdychanie. Wejście podczas oddychania. Wywołuje stan zapalny i krwawienie wewnętrzne i prowadzi do śpiączki.

3) żołądkowo-jelitowy. Wejście przez połknięcie. Powoduje owrzodzenia jamy ustnej i gardła, silne krwawienia z jamy brzusznej i biegunkę.

W około 95% przypadków wąglik jest skórny. W mniej niż 1% jest to przewód pokarmowy.

Kontrola

Endospory można zniszczyć przez sterylizację w autoklawach, łącząc ciśnienie 15 psi i temperaturę 115–125 ° C przez 7–70 minut. Można je również wyeliminować poprzez naprzemienne zmiany temperatury i ciśnienia, tak że następuje kiełkowanie zarodników, a następnie śmierć powstałych bakterii wegetatywnych.

Kwas nadoctowy jest jednym z najskuteczniejszych środków chemicznych niszczących przetrwalniki. Jod w nalewce (rozpuszczony w alkoholu) lub jodoforze (w połączeniu z cząsteczką organiczną) jest również zwykle śmiertelny dla przetrwalników.

Zniszczenie przetrwalników w narzędziach chirurgicznych jest skutecznie osiągane poprzez wprowadzenie ich do pojemnika, do którego indukowana jest plazma (wzbudzony gaz bogaty w wolne rodniki), na który pewne środki chemiczne są poddawane działaniu podciśnienia i pola elektromagnetycznego.

Zniszczenie przetrwalników w dużych obiektach, takich jak materace, uzyskuje się poprzez kilkogodzinną ekspozycję na tlenek etylenu w połączeniu z niepalnym gazem.

Przemysł spożywczy wykorzystuje dwutlenek chloru w roztworze wodnym do odkażania obszarów potencjalnie skażonych przetrwalnikami wąglika.

Azotyn sodu dodawany do produktów mięsnych oraz antybiotyk nizyna dodana do sera zapobiegają rozwojowi bakterii wytwarzających przetrwalniki.

Broń biologiczna i bioterroryzm

Bacillus anthracis jest łatwa w uprawie. Z tego powodu podczas dwóch wojen światowych znalazł się jako broń biologiczna w arsenałach Niemiec, Wielkiej Brytanii, Stanów Zjednoczonych, Japonii i Związku Radzieckiego.

W 1937 roku armia japońska użyła wąglika jako broni biologicznej przeciwko chińskiej ludności cywilnej w Mandżurii. W 1979 roku w Swierdłowsku w Rosji co najmniej 64 osoby zmarły w wyniku przypadkowego wdychania zarodników szczepu B. anthracis pochodzenia wojskowego. W Japonii i Stanach Zjednoczonych wąglik był używany do celów terrorystycznych.

W przeciwieństwie do tego, obecnie podejmuje się próby wykorzystania powłok przetrwalnikowych jako nośnika leków terapeutycznych i antygenów tworzonych do celów immunizacji zapobiegawczej.

Bibliografia

1. Barton, LL Strukturalne i funkcjonalne relacje u prokariotów. Springer, Nowy Jork.
2. Black, JG 2008. Mikrobiologia: zasady i eksploracje. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Mikrobiologia medyczna. McGraw-Hill, Nowy Jork.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Odrodzenie i identyfikacja zarodników bakterii w bursztynie dominikańskim sprzed 25-40 mln lat. Science 268,1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Zarodniki bakterii jako nośniki szczepionek. Infection and Immunity, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulizm. Infobase Publishing, Nowy Jork.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, Nowy Jork.
8. Johnson, SS i in. 2007. Starożytne bakterie wykazują oznaki naprawy DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: od starożytności i zapomnienia do lidera bioterroryzmu. Infectious Disease Clinics of North America, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Ciekawie nowoczesne DNA dla bakterii liczącej 250 milionów lat. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Mikrobiologia. McGraw-Hill, Nowy Jork.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Uśpione bakterie w osadach jeziornych jako wskaźniki paleoekologiczne. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Cięcie. 2003. Nowe zastosowania przetrwalników bakterii w nanobiotechnologii. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Wąglik w Europie: jego epidemiologia, charakterystyka kliniczna i rola w bioterroryzmie. Clinical Microbiology and Infection, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Ewolucja z bankiem nasion: populacyjne konsekwencje genetyczne spoczynku drobnoustrojów. Evolutionary Applications, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Podstawy mikrobiologii. McGraw-Hill, Nowy Jork.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Mikrobiologia: wprowadzenie. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Izolacja 250-milionowej halotolerancyjnej bakterii z pierwotnego kryształu soli. Naturę 407,897-900.