ENDOSPORE: ZNAČILNOSTI, STRUKTURA, TVORBA, FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

V endospores so oblike preživetja določenih bakterij, sestavljena iz mirujočih celic in dehidriranih prevlečenih zaščitnimi plastmi, ki prikazuje izjemno odpornost proti kemičnim in fizičnim stresom. Ob pomanjkanju hranilnih snovi lahko zdržijo v nedogled. Nastanejo znotraj bakterij.

Endospore so najbolj odporne žive strukture, ki jih poznamo. Preživijo lahko visoke temperature, ultravijolično svetlobo, gama sevanje, sušenje, osmozo, kemična sredstva in encimsko hidrolizo.

Vir: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Ko to določijo okoljske razmere, se endospore razraščajo, kar povzroča aktivne bakterije, ki se hranijo in razmnožujejo.

Endospore so vrsta spore. Obstajajo glive, protozoji, alge in rastline, ki proizvajajo svoje vrste. Endosporu nimajo reproduktivne funkcije: vsaka bakterijska celica proizvede samo eno. V drugih organizmih, nasprotno, imajo lahko reproduktivno funkcijo.

Zgodovina

Sredi 17. stoletja je nizozemski trgovec s tkaninami in pionir mikrobiologije Antonie van Leeuwenhoek s pomočjo iznajdljivih mikroskopov, ki jih je zasnoval in izdelal sam, prvič opazoval žive mikroorganizme, vključno s protozojami, algami, kvasovkami, glivami in bakterijami.

Leta 1859 je Francoska akademija znanosti sponzorirala natečaj, v katerem je sodeloval francoski kemik Louis Pasteur. Cilj je bil osvetliti poskus s "spontano generacijo", tisočletno hipotezo, ki je predlagala, da lahko življenje izhaja iz "vitalnih sil" ali "prenosljivih snovi", ki so prisotne v neživih ali razpadajočih snoveh.

Pasteur je pokazal, da so zrak in trdni delci, podobno kot vino, vir mikrobov, ki rastejo v bujnicah, predhodno steriliziranih s toploto. Kmalu zatem je leta 1877 angleški fizik John Tyndall potrdil Pasterjeve opazke, s čimer je končni udarec postavil hipotezo o spontani generaciji.

Tyndall je predložil tudi dokaze za izjemno toplotno odporne oblike bakterij. Neodvisno med leti 1872 in 1885 je nemški botanik Ferdinand Cohn, ki velja za ustanovitelja moderne mikrobiologije, podrobno opisal bakterijske endospore.

Dolgoživost

Večina organizmov živi v okoljih, ki se razlikujejo v času in prostoru. Skupna strategija za preživetje okoljskih razmer, ki so začasno neprimerne za rast in razmnoževanje, je, da se vzpostavi stanje reverzibilnega mirujočega stanja, v katerem se posamezniki zatečejo v zaščitne strukture in zmanjšajo svoje porabe energije.

Prehod med aktivnim in latentnim stanjem je presnovno drag. Ta naložba je večja, ko morajo posamezniki zgraditi lastne zaščitne strukture, bodisi sestavljene iz eksogenih materialov ali biosinteziranih znotraj. Poleg tega se morajo posamezniki odzivati ​​na okoljske dražljaje, ki povzročajo prehod.

Zamuda ustvarja rezervoar mirujočih posameznikov, ki se lahko aktivira, ko se ponovno pojavijo ugodni pogoji. Ti rezervoarji omogočajo ohranjanje populacij in njihovo gensko raznolikost. Ko gre za patogene bakterije, ki proizvajajo endospore, latenca olajša njihov prenos in otežuje njihov nadzor.

Bakterijski endospori lahko ostanejo sposobni preživeti več let. Trdijo, da lahko endospori, ki so bili ohranjeni v starodavnih substratih, kot so permafrost, vodni sedimenti, podzemna nahajališča soli ali jantarja, ostanejo sposobni preživeti na tisoče in celo milijone let.

Opazovanje

Vizualizacija položaja in drugih značilnosti endospora je zelo koristna za identifikacijo vrst bakterij.

Endospore lahko opazimo s svetlobnim mikroskopom. Pri bakterijah, ki so bile podvržene obarvanju z gram ali metilen modro, jih ločimo kot brezbarvna območja znotraj vegetativne bakterijske celice. To je zato, ker so stene endospora odporne na prodiranje z običajnimi obarvalnimi reagenti.

Razvita je bila posebna metoda obarvanja za endospore, znana kot diferencialni madež Schaeffer-Fulton, zaradi česar so jasno vidni. Ta metoda omogoča vizualizacijo tako tistih, ki so znotraj bakterijske vegetativne celice, kot tistih, ki so zunaj nje.

Metoda Schaeffer-Fulton temelji na sposobnosti malahitne zelene, da obarva steno endospora. Po uporabi te snovi se safranin uporablja za barvanje vegetativnih celic.

Rezultat je diferencialno obarvanje endospora in vegetativnih celic. Prvi pridobijo zeleno barvo, drugi pa rožnato barvo.

Struktura

Znotraj vegetativne celice ali sporangija so endospore lahko locirane terminalno, subterminalno ali centralno. Ta bakterijska oblika ima štiri plasti: medula, zarodna stena, skorja in pokrov. Pri nekaterih vrstah je peta zunanja membranska plast, imenovana eksosporij, sestavljena iz lipoproteina, ki vsebuje ogljikove hidrate.

Medula ali središče je protoplast endospora. Vsebuje kromosom, ribosome in sistem za ustvarjanje glikolitične energije. Morda nima citokromov, tudi pri aerobnih vrstah.

Energija za kalitev je shranjena v 3-fosfogliceratu (ATP ni). Ima visoko koncentracijo dipikolinske kisline (5–15% suhe mase endospora).

Zarodno steno spore obdaja medularna membrana. Vsebuje tipičen peptidoglikan, ki med geminacijo postane celična stena vegetativne celice.

Korteks je najdebelejša plast endospora. Obdaja zarodni zid. Vsebuje netipični peptidoglikan z manj navzkrižnimi povezavami kot tipičen, zaradi česar je zelo občutljiv na avtolizo z lizocimi, potrebnimi za kalitev.

Dlaka je sestavljena iz beljakovin, podobnih keratinu, ki vsebuje številne intramolekularne disulfidne vezi. Obdaja skorjo. Njegova neprepustnost daje odpornost na kemične napade.

Fiziologija

Zdi se, da ima dipikolinska kislina vlogo pri vzdrževanju latenc, stabilizaciji DNK in toplotni odpornosti. Prisotnost majhnih topnih beljakovin v tej kislini nasiči DNK in ga ščiti pred vročino, sušenjem, ultravijolično svetlobo in kemikalijami.

Sinteza atipičnega peptidoglikana se začne, ko nastane asimetrični septum, ki deli vegetativno celico. Na ta način peptidoglikan deli matično celico, v kateri se bo prespore razvil na dva oddelka. Peptidoglikan ga ščiti pred osmotskimi neravnovesji.

Korteks osmotsko odstranjuje vodo iz protoplasta, zaradi česar je bolj odporen proti toplotnim in sevalnim poškodbam.

Endospore vsebujejo encime za popravljanje DNK, ki delujejo med aktivacijo možganov in njegovo kasnejšo kalitvijo.

Sporalacija

Proces tvorbe endospora iz vegetativne bakterijske celice se imenuje sporulacija ali sporogeneza.

Endospore se pojavljajo pogosteje, če nekaterih kritičnih hranil primanjkuje. Obstaja lahko tudi proizvodnja endospora, ki predstavlja življenjsko zavarovanje pred izumrtjem, kadar je hranilnih snovi veliko in so drugi okoljski pogoji ugodni.

Sporlacija je sestavljena iz petih faz:

1) Tvorba septuma (medularna membrana, zarodna stena spore). Izoliramo del citoplazme (bodoče medule) in ponovljenega kromosoma.

2) Razvija se zarodna stena spore.

3) Skortezija je sintetizirana.

4) Nastane pokrov.

5) Vegetativna celica razgradi in odmre, s tem pa sprosti endospor.

Kalivost

Postopek, s katerim se endospor spremeni v vegetativno celico, imenujemo kalitev. To sproži encimski razpad pokrova endospora, ki omogoča hidracijo možganov in ponovno zagon presnovne aktivnosti.

Kalivost je sestavljena iz treh faz:

1) Aktivacija. Pojavi se, kadar abrazija, kemično sredstvo ali toplota poškodujejo pokrov.

2) kalitev (ali iniciacija). Začne se, če so okoljski pogoji ugodni. Peptidoglikan se razgradi, sprosti se dipikolinska kislina in celica hidrira.

3) izbruh. Korteksa se razgradi in ponovno se zažene biosinteza in delitev celic.

Patologija

Endospore patogenih bakterij so resna zdravstvena težava zaradi odpornosti proti segrevanju, zmrzovanju, dehidraciji in sevanju, ki uničujejo vegetativne celice.

Na primer, nekateri endospore lahko preživijo več ur v vreli vodi (100 ° C). Nasprotno pa se vegetativne celice ne upirajo temperaturam nad 70 ° C.

Nekatere bakterije iz rodov Clostridium in Bacillus, ki proizvajajo endospore, izločajo močne beljakovinske toksine, ki povzročajo botulizem, tetanus in antraks.

Zdravljenja odvisno od primera vključujejo izpiranje želodca, čiščenje ran, antibiotike ali zdravljenje z antitoksini. Preventivni ukrepi vključujejo higieno, sterilizacijo in cepljenje.

Botulizem

Nastane zaradi kontaminacije s sporami Clostridium botulinum. Njen najbolj očiten simptom je mišična paraliza, ki ji lahko sledi smrt. Njena pojavnost je nizka.

Obstajajo tri vrste botulizma. Dojenčka povzroča zaužitje medu ali drugih dodatkov, onesnaženih z zrakom, ki so bili dodani mleku. Hrana se proizvaja z zaužitjem kontaminirane hrane (na primer konzervirane hrane), surove ali slabo kuhane. Nazadnje, poškodba nastane zaradi stika s tlemi, ki je naravni habitat C. botulinum.

Tetanus

Povzroča ga Clostridium tetani. Njeni simptomi vključujejo krčenje mišic, ki so zelo boleče (v grščini beseda "tetanus" pomeni, da se skrčijo) in tako močne, da lahko povzročijo zlomljene kosti. Pogosto je usoden. Njena pojavnost je nizka.

Infektivne spore C. tetani običajno vstopijo v telo skozi rano, v kateri kalijo. Med rastjo, ki zahteva, da je rana slabo oksigenirana, vegetativne celice proizvajajo tetanusni toksin.

Bakterije in njihove endospore so pogoste v okolju, vključno s tlemi. Najdene so bile v blatu ljudi in živali.

Antraks

Povzroča ga Bacillus anthracis. Njeni simptomi se močno razlikujejo glede na okolje in mesto okužbe. Gre za resno in pogosto smrtno bolezen. Njegova pojavnost je zmerno visoka, kar povzroča epidemije pri živalih in ljudeh. V 18. stoletju je antraks desetil evropske ovce.

Rastlinojedi sesalci so njen naravni gostitelj. Človek se okuži s stikom (običajno poklicnim) z živalmi ali z ravnanjem ali zaužitjem živalskih proizvodov.

Obstajajo tri vrste antraksa:

1) kožna. Vnos nastane zaradi poškodb. Na koži se tvorijo črnkaste, nekrotične razjede.

2) Z vdihavanjem. Vstop med dihanjem. Proizvaja vnetje in notranje krvavitve ter vodi v komo.

3) Prebavila. Vnos po zaužitju. Povzroča razjede orofaringeusa, močno trebušno krvavitev in drisko.

V približno 95% primerov je človeški antraks kožen. V manj kot 1% je prebavila.

Nadzor

Endospore je mogoče uničiti s sterilizacijo v avtoklavih s kombiniranim pritiskom 15 psi in temperaturo 115–125 ° C v obdobju 7–70 minut. Odpraviti jih je mogoče tudi z izmeničnimi spremembami temperature in tlaka, tako da pride do kalitve spore, ki ji sledi smrt izhajajočih vegetativnih bakterij.

Peracetna kislina je eno najučinkovitejših kemičnih sredstev za uničevanje endospora. Jod, tinkturiran (raztopljen v alkoholu) ali jodofor (v kombinaciji z organsko molekulo) je običajno tudi smrtonosen za endospore.

Uničenje endospora v kirurških instrumentih je učinkovito doseženo tako, da jih vstavimo v posodo, v katero se sproži plazma (vzbujeni plin, bogat s prostimi radikali), za katerega so nekatera kemična sredstva izpostavljena negativnemu tlaku in elektromagnetnemu polju.

Uničenje endospora v velikih predmetih, kot so vzmetnice, dosežemo tako, da jih več ur izpostavimo etilen oksidu v kombinaciji z nevnetljivim plinom.

Prehrambena industrija uporablja klor dioksid v vodni raztopini za zaplinjevanje območij, ki so potencialno onesnažena z antraksom endosporami.

Natrijev nitrit, ki je dodan mesnim izdelkom, in antibiotik nisin, dodan siru, preprečujeta rast bakterij, ki proizvajajo endospore.

Biološko orožje in bioterorizem

Bacillus anthracis je enostavno gojiti. Zaradi tega je bila med obema svetovnima vojnama vključena kot biološko orožje v arzenale Nemčije, Velike Britanije, ZDA, Japonske in Sovjetske zveze.

Leta 1937 je japonska vojska uporabila antraks kot biološko orožje proti kitajskim civilistom v Mandžuriji. Leta 1979 je v Sverdlovsku v Rusiji umrlo najmanj 64 ljudi zaradi nenamernega vdihavanja sporov iz vojaškega seva B. anthracis. Na Japonskem in v ZDA so antraks uporabili v teroristične namene.

V nasprotju s tem se trenutno izvajajo poskusi uporabe prevleke endospora kot nosilca za terapevtska zdravila in za antigene, ustvarjene za namene preventivne imunizacije.

Reference

1. Barton, LL Strukturni in funkcionalni odnosi v prokariotih. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Mikrobiologija: načela in raziskave. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Medicinska mikrobiologija. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, preporod in prepoznavanje bakterijskih sporov v 25 do 40 milijonov let starem dominikanskem jantarju. Znanost 268, 1060–1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bakterijske spore kot cepiva. Okužba in imuniteta, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulizem. Infobase Publishing, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, New York.
8. Johnson, SS in sod. 2007. Starodavne bakterije kažejo dokaze o popravilu DNK. Zbornik Nacionalne akademije znanosti ZDA, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Antraks: od antike in nejasnosti do prednjega teka v bioterrorizmu. Klinike za nalezljive bolezni Severne Amerike, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Zanimivo sodoben DNK za "250 milijonov let staro" bakterijo. Časopis Molekularna evolucija, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Mikrobiologija. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Drevne bakterije v jezerskih sedimentih kot paleoekološki kazalci. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Rezanje. 2003. Nastajajoče uporabe bakterijskih sporov v nanobiotehnologiji. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Antraks v Evropi: njegova epidemiologija, klinične značilnosti in vloga v bioterorizmu. Klinična mikrobiologija in okužba, 8, 479–488.
15. Čevljar, WR, Lennon, JT 2018. Evolucija s semensko banko: populacijske genetske posledice mikrobne dormancije. Evolucijske aplikacije, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Temelji v mikrobiologiji. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Mikrobiologija: uvod. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Osamitev 250 milijonov let stare halotolerantne bakterije iz primarnega kristala soli. Narava 407, 897-900.