ENDOSPORES: CARACTERISTICI, STRUCTURĂ, FORMARE, FUNCȚII - BIOLOGIE - 2025

Cele endosporii sunt forme de supraviețuire a anumitor bacterii, constau din celule latente și straturi de protecție acoperite deshidratate, care prezintă o rezistență extremă la stres chimic și fizic. Acestea sunt capabile să dureze la nesfârșit în absența nutrienților. Se formează în interiorul bacteriilor.

Endosporesele sunt cele mai rezistente structuri vii cunoscute. Ele pot supraviețui la temperaturi ridicate, lumină ultravioletă, radiații gamma, desicare, osmoză, agenți chimici și hidroliză enzimatică.

Sursa: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Când condițiile de mediu o determină, endosporenele germinează dând naștere la bacterii active care se hrănesc și se înmulțesc.

Endosporesele sunt un tip de spor. Există ciuperci, protozoare, alge și plante care produc propriile tipuri. Endosporenele nu au funcție de reproducere: fiecare celulă bacteriană produce doar una. La alte organisme, dimpotrivă, ele pot avea o funcție de reproducere.

Istorie

La mijlocul secolului al XVII-lea, comerciantul olandez de pânză și pionier al microbiologiei Antonie van Leeuwenhoek, folosind microscopii ingenioase proiectate și realizate de el însuși, a fost primul care a observat microorganisme vii, inclusiv protozoare, alge, drojdii, ciuperci și bacterii.

În 1859, Academia Franceză de Științe a sponsorizat o competiție la care a participat chimistul francez Louis Pasteur. Obiectivul a fost să arunce lumină printr-un experiment despre „generația spontană”, o ipoteză străveche care a propus că viața poate apărea din „forțe vitale” sau „substanțe transmisibile” prezente în materie nevii sau în descompunere.

Pasteur a arătat că, la fel ca în cazul vinului, aerul și particulele solide sunt sursa microbilor care cresc în bulionele de cultură anterior sterilizate cu căldură. La scurt timp, în 1877, fizicianul englez John Tyndall a coroborat observațiile lui Pasteur, aducând ultima lovitură ipotezei generației spontane.

Tyndall a furnizat, de asemenea, dovezi pentru formele de bacterii extrem de rezistente la căldură. În mod independent, între 1872 și 1885, botanistul german Ferdinand Cohn, considerat fondatorul microbiologiei moderne, a descris în detaliu endosporalele bacteriene.

Longevitate

Majoritatea organismelor trăiesc în medii care variază în timp și spațiu. O strategie comună pentru supraviețuirea condițiilor de mediu temporar nepotrivite pentru creștere și reproducere este de a intra într-o stare de inactivitate reversibilă, în timpul căreia indivizii se refugiază în structuri de protecție și minimizează cheltuielile lor energetice.

Tranziția dintre stările active și cele latente este costisitoare din punct de vedere metabolic. Această investiție este mai mare atunci când indivizii trebuie să își construiască propriile structuri de protecție, fie că sunt compuse din materiale exogene sau biosintetizate în interior. În plus, indivizii trebuie să poată răspunde la stimulii de mediu care provoacă tranziția.

Latenția generează un rezervor de indivizi care pot fi activi atunci când reapar condițiile favorabile. Aceste rezervoare permit conservarea populațiilor și diversitatea genetică a acestora. Când vine vorba de bacterii patogene producătoare de endospore, latența facilitează transmiterea lor și îngreunează controlul acestora.

Endospoarele bacteriene pot rămâne viabile mulți ani. S-a susținut că endosporesele conservate în substraturile antice, cum ar fi permafrost, sedimente acvatice, depozite subterane de sare sau chihlimbar pot rămâne viabile timp de mii și chiar milioane de ani.

Observare

Vizualizarea poziției și a altor caracteristici ale endosporelor este foarte utilă pentru identificarea speciilor de bacterii.

Endosporesele pot fi văzute folosind un microscop ușor. În bacteriile supuse colorației de albastru de metilen sau Gram, acestea se disting ca regiuni incolore din celula bacteriană vegetativă. Acest lucru se datorează faptului că pereții endosporelor sunt rezistenți la penetrare prin reactivii obișnuiți de colorare.

A fost dezvoltată o metodă specifică de colorare pentru endospores, cunoscută sub numele de colorant diferențial Schaeffer-Fulton, care le face clar vizibile. Această metodă permite vizualizarea atât a celor care se află în interiorul celulei vegetative bacteriene, cât și a celor care se află în afara ei.

Metoda Schaeffer-Fulton se bazează pe capacitatea de malachit verde de a colora peretele endosporelor. După aplicarea acestei substanțe, safranina este utilizată pentru a colora celulele vegetative.

Rezultatul este o colorare diferențiată a endosporelor și a celulelor vegetative. Primele dobândesc o culoare verde, iar cele din urmă o culoare rozalie.

Structura

În interiorul celulei vegetative sau sporangiul, endosporesele pot fi localizate la nivel terminal, subterminal sau central. Această formă bacteriană are patru straturi: medula, peretele germenilor, cortexul și capacul. La unele specii există un al cincilea strat membranos extern numit exosporium, compus din lipoproteine ​​care conține carbohidrați.

Medula sau centrul este protoplastul endosporului. Conține cromozomi, ribozomi și un sistem generator de energie glicolitică. Este posibil să nu aibă citocrom, chiar și la speciile aerobe.

Energia pentru germinare este stocată în 3-fosfoglicerat (nu există ATP). Are o concentrație mare de acid dipicolinic (5-15% din greutatea uscată a endosporului).

Peretele germinativ al sporei înconjoară membrana medulară. Conține peptidoglican tipic, care în timpul geminării devine peretele celular al celulei vegetative.

Cortexul este cel mai gros strat al endosporului. Înconjoară peretele germenilor. Conține peptidoglican atipic, cu mai puține legături încrucișate decât tipic, ceea ce îl face foarte sensibil la autoliză prin lizozime, necesar pentru germinare.

Stratul este compus dintr-o proteină asemănătoare cu cheratină care conține numeroase legături disulfură intramoleculare. Înconjoară cortexul. Impermeabilitatea sa conferă rezistență la atacurile chimice.

Fiziologie

Acidul dipicolinic pare să aibă un rol în menținerea latenței, stabilizarea ADN și rezistența la căldură. Prezența de proteine ​​solubile mici în acest acid satura ADN-ul și îl protejează de căldură, desicare, lumină ultravioletă și substanțe chimice.

Sinteza peptidoglicanului atipic începe atunci când se formează un sept asimetric care împarte celula vegetativă. În acest fel, peptidoglicanul împarte celula stem în care presforul se va dezvolta în două compartimente. Peptidoglicanul îl protejează de dezechilibrele osmotice.

Cortexul îndepărtează osmotic apa din protoplast, ceea ce o face mai rezistentă la deteriorarea căldurii și radiațiilor.

Endosporesele conțin enzime de reparare a ADN-ului, care acționează în timpul activării măduvei și germinării ulterioare a acesteia.

Sporularea

Procesul de formare a unui endospor dintr-o celulă bacteriană vegetativă se numește sporulare sau sporogeneză.

Endosporesele apar mai des atunci când anumiți nutrienți critici sunt insuficienți. Poate exista și producția de endospor, reprezentând asigurarea de viață împotriva stingerii, când nutrienții sunt abundenți și alte condiții de mediu sunt favorabile.

Sporularea constă din cinci faze:

1) Formarea septului (membrană medulară, peretele germenilor sporului). O porțiune a citoplasmei (viitoare medulară) și un cromozom replicat sunt izolate.

2) Se dezvoltă peretele germinativ al sporei.

3) Cortexul este sintetizat.

4) Se formează capacul.

5) Celula vegetativă se degradează și moare, eliberând astfel endosporul.

Germinaţie

Procesul prin care un endospor se transformă într-o celulă vegetativă se numește germinare. Aceasta este declanșată de descompunerea enzimatică a acoperirii endospore, care permite hidratarea măduvei și repornirea activității metabolice.

Germinarea constă în trei faze:

1) Activare. Se produce atunci când abraziunea, un agent chimic sau căldura termică a capacului.

2) Germinarea (sau inițierea). Începe dacă condițiile de mediu sunt favorabile. Peptidoglicanul este degradat, acidul dipicolinic este eliberat și celula este hidratată.

3) focar. Cortexul este degradat și reîncepe biosinteza și diviziunea celulară.

Patologie

Endosporenele bacteriilor patogene sunt o problemă serioasă de sănătate datorită rezistenței lor la încălzire, îngheț, deshidratare și radiații, care ucid celulele vegetative.

De exemplu, unele endospoare pot supraviețui câteva ore în apă clocotită (100 ° C). În schimb, celulele vegetative nu rezistă la temperaturi peste 70 ° C.

Anumite bacterii producătoare de endospor din genurile Clostridium și Bacillus exclud toxinele potențiale de proteine ​​care provoacă botulism, tetanos și antrax.

În funcție de caz, tratamentele includ lavaj gastric, curățarea rănilor, antibiotice sau terapie cu antitoxine. Măsurile preventive includ igiena, sterilizarea și vaccinarea.

Botulismul

Este cauzată de contaminarea cu sporii de Clostridium botulinum. Cel mai evident simptom al acestuia este paralizia musculară, care poate fi urmată de moarte. Incidența sa este scăzută.

Există trei tipuri de botulism. Infantilul este cauzat de ingestia de miere sau de alte aditivi, contaminate de aer, care au fost adăugate în lapte. La rândul său, alimentele sunt produse prin ingestia alimentelor contaminate (cum ar fi conservele), crude sau slab gătite. În cele din urmă, vătămarea este produsă prin contactul cu solul, care este habitatul natural al C. botulinum.

Tetanosul

Este cauzată de Clostridium tetani. Simptomele sale includ contracțiile musculare care sunt foarte dureroase (în greacă, cuvântul "tetanos" înseamnă a se contracta) și atât de puternic încât pot provoca oase rupte. Este adesea fatală. Incidența sa este scăzută.

Sporii infecțioși cu C. tetani intră de obicei în corp printr-o rană, în care germinează. În timpul creșterii, care necesită oxigenarea rănii slab, celulele vegetative produc toxină tetanică.

Bacteriile și endosporesele lor sunt frecvente în mediu, inclusiv în sol. Au fost găsite în fecalele oamenilor și animalelor.

Antrax

Este cauzată de Bacillus anthracis. Simptomele sale variază foarte mult în funcție de mediu și locul infecției. Este o boală gravă și adesea fatală. Incidența sa este moderat mare, producând epidemii la animale și oameni. În secolul 18, antraxul a decimat oile Europei.

Mamiferele ierbivore sunt gazda sa naturală. Oamenii se infectează prin contactul (de obicei ocupațional) cu animalele sau prin manipularea sau ingerarea produselor animale.

Există trei tipuri de antrax:

1) cutanat. Intrarea este produsă de răni. Pe piele se formează ulcere negricioase, necrotice.

2) Prin inhalare. Intrarea în timpul respirației. Produce inflamație și sângerare internă și duce la comă.

3) Gastrointestinal. Intrarea prin ingestie. Provoacă ulcere orofaringiene, sângerare abdominală severă și diaree.

În aproximativ 95% din cazuri, antraxul uman este cutanat. În mai puțin de 1% este gastrointestinal.

Control

Endosporesele pot fi distruse prin sterilizare în autoclave, combinând presiuni de 15 psi și temperaturi de 115–125 ° C timp de 7–70 minute. De asemenea, pot fi eliminate prin alternarea schimbărilor de temperatură și presiune, astfel încât există germinarea sporilor urmată de moartea bacteriilor vegetative rezultate.

Acidul peracetic este unul dintre cei mai eficienți agenți chimici pentru distrugerea endosporelor. Iodul, în tinctură (dizolvat în alcool) sau iodofor (combinat cu o moleculă organică) este, de asemenea, letal pentru endospores.

Distrugerea endosporelor în instrumentele chirurgicale se realizează în mod eficient prin introducerea lor într-un recipient în care este indusă o plasmă (gaz excitat bogat în radicali liberi), pentru care anumiți agenți chimici sunt supuși unei presiuni negative și unui câmp electromagnetic.

Distrugerea endosporelor în obiecte mari, cum ar fi saltelele, se realizează expunându-le timp de câteva ore la oxid de etilen combinat cu un gaz neinflamabil.

Industriile de prelucrare a alimentelor folosesc dioxidul de clor într-o soluție apoasă pentru fumigarea zonelor potențial contaminate cu endospores antrax.

Nitritul de sodiu adăugat la produsele din carne, iar nisinul de antibiotic adăugat la brânză, împiedică dezvoltarea bacteriilor producătoare de endospore.

Arme biologice și bioterorism

Bacillus anthracis este ușor de cultivat. Din acest motiv, în cele două războaie mondiale a fost inclusă ca armă biologică în arsenalele Germaniei, Marii Britanii, Statelor Unite, Japoniei și Uniunii Sovietice.

În 1937 armata japoneză a folosit antraxul ca armă biologică împotriva civililor chinezi din Manchuria. În 1979, în Sverdlovsk, Rusia, cel puțin 64 de persoane au murit din cauza inhalării accidentale a sporilor dintr-o tulpină de B. anthracis derivată din punct de vedere militar. În Japonia și Statele Unite, antraxul a fost folosit în scopuri teroriste.

În schimb, în ​​prezent, se încearcă utilizarea de acoperiri endospore ca vehicul pentru medicamente terapeutice și antigene create în scopuri de imunizare preventivă.

Referințe

1. Barton, LL Relații structurale și funcționale în procariote. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Microbiologia: principii și explorări. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Microbiologie medicală. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, renașterea și identificarea sporilor bacterieni în chihlimbarul dominican de 25-40 de milioane de ani. Știința 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Sporii bacterieni ca vehicule de vaccin. Infecție și imunitate, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulism. Infobase Publishing, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, New York.
8. Johnson, SS și colab. 2007. Bacteriile antice prezintă dovezi ale reparației ADN-ului. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 104, 14401-14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: de la antichitate și obscuritate la un conducător frontal în bioterorism. Clinici de boli infecțioase din America de Nord, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. ADN curioasă modern pentru o bacterie „de 250 de milioane de ani”. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Microbiologie. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Bacterii adormitoare din sedimentele lacului ca indicatori paleoecologici. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., Tăierea SM. 2003. Aplicații emergente ale sporilor bacterieni în nanobiotehnologie. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Anthrax în Europa: epidemiologia, caracteristicile sale clinice și rolul în bioterorism. Microbiologie clinică și infecție, 8, 479-488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Evoluția cu o bancă de semințe: consecințele genetice ale populației la dormința microbiană. Aplicații evolutive, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Fundații în microbiologie. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Caz, CL 2010. Microbiologie: o introducere. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Izolarea bacteriei halotolerante vechi de 250 de milioane de ani dintr-un cristal primar de sare. Natura 407, 897-900.