ENDOSPORY: VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, FORMÁCIA, FUNKCIE - BIOLÓGIE

Tieto endospory sú formy prežitie niektorých baktérií, sa skladajú z bunkami v pokoji a dehydrovaných potiahnutých ochranných vrstiev, ktoré ukazujú extrémnu odolnosť voči chemickej a fyzickej záťaži. Dokážu vydržať donekonečna bez živín. Tvoria sa vo vnútri baktérií.

Endospory sú najodolnejšie známe živé štruktúry. Môžu prežiť vysoké teploty, ultrafialové svetlo, gama žiarenie, vysušenie, osmóza, chemické látky a enzymatická hydrolýza.

Zdroj: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Keď to podmienky prostredia určia, klíčia endospory, čím vznikajú aktívne baktérie, ktoré sa živia a množia.

Endospóry sú typom spór. Existujú huby, prvoky, riasy a rastliny, ktoré produkujú svoje vlastné druhy. Endospory nemajú reprodukčnú funkciu: každá bakteriálna bunka produkuje iba jednu. Naopak, v iných organizmoch môžu mať reprodukčnú funkciu.

histórie

V polovici 17. storočia bol holandský obchodník s odevmi a predchodca mikrobiológie Antonie van Leeuwenhoek pomocou geniálnych mikroskopov svojho vlastného návrhu a konštrukcie prvý, kto pozoroval živé mikroorganizmy vrátane prvokov, rias, kvasiniek, húb a baktérií.

V roku 1859 sponzorovala Francúzska akadémia vied súťaž, na ktorej sa zúčastnil francúzsky chemik Louis Pasteur. Cieľom bolo vrhnúť svetlo experimentom „spontánnej generácie“, starodávnej hypotézy, podľa ktorej by život mohol vzniknúť z „životne dôležitých síl“ alebo „prenosných látok“ prítomných v neživých alebo rozkladajúcich sa látkach.

Pasteur ukázal, že rovnako ako v prípade vína sú vzduch a pevné častice zdrojom mikróbov, ktoré rastú v kultivačných pôdach predtým sterilizovaných teplom. Krátko po tom, čo v roku 1877 anglický fyzik John Tyndall potvrdil Pasteurove pozorovania, posledný úder hypotéze spontánnej generácie.

Tyndall tiež poskytol dôkazy o extrémne tepelne odolných formách baktérií. Nezávisle od roku 1872 do roku 1885 nemecký botanik Ferdinand Cohn, považovaný za zakladateľa modernej mikrobiológie, podrobne opísal bakteriálne endospory.

dlhovekosť

Väčšina organizmov žije v prostrediach, ktoré sa líšia v čase a priestore. Spoločnou stratégiou pre prežitie environmentálnych podmienok dočasne nevhodných pre rast a reprodukciu je vstúpiť do stavu zvrátiteľného pokoja, počas ktorého sa jednotlivci schovávajú v ochranných štruktúrach a minimalizujú svoje energetické výdavky.

Prechod medzi aktívnym a latentným stavom je metabolicky nákladný. Táto investícia je väčšia, keď si jednotlivci musia vybudovať svoje vlastné ochranné štruktúry, či už sú vyrobené z exogénnych materiálov alebo sú v nich biosyntetizované. Okrem toho musia byť jednotlivci schopní reagovať na environmentálne podnety, ktoré spôsobujú prechod.

Latencia vytvára rezervu spiacich jednotlivcov, ktorú je možné aktivovať, keď sa znova objavia priaznivé podmienky. Tieto nádrže umožňujú zachovať populácie a ich genetickú diverzitu. Pokiaľ ide o patogénne baktérie produkujúce endospory, latencia uľahčuje ich prenos a sťažuje ich kontrolu.

Bakteriálne endospory môžu zostať životaschopné mnoho rokov. Tvrdí sa, že endospory konzervované v starodávnych substrátoch, ako je permafrost, vodné sedimenty, podzemné ložiská soli alebo jantár, môžu zostať životaschopné tisíce a dokonca milióny rokov.

pozorovanie

Vizualizácia polohy a ďalších charakteristík endospor je veľmi užitočná na identifikáciu druhov baktérií.

Endospory možno vidieť pomocou svetelného mikroskopu. V baktériách podrobených farbeniu gramovou alebo metylénovou modrou sa tieto odlíšia ako bezfarebné oblasti vo vegetatívnej bakteriálnej bunke. Je to tak preto, že steny endospor sú odolné proti prenikaniu pomocou bežných farbiacich reagencií.

Bola vyvinutá špecifická metóda farbenia pre endospory, známa ako diferenciálne farbenie Schaeffer-Fulton, ktorá ich robí dobre viditeľnými. Táto metóda umožňuje vizualizovať tie, ktoré sú vo vnútri bakteriálnej vegetatívnej bunky, ako aj tie, ktoré sú mimo nej.

Metóda Schaeffer-Fulton je založená na schopnosti malachitovej zelene zafarbiť stenu endospor. Po aplikácii tejto látky sa safranín používa na farbenie vegetatívnych buniek.

Výsledkom je diferenciálne farbenie endospor a vegetatívnych buniek. Prvý získa zelenú farbu a druhý ružovkastú farbu.

štruktúra

Vo vegetatívnej bunke alebo sporangiu môžu byť endospory umiestnené terminálne, subterminálne alebo centrálne. Táto bakteriálna forma má štyri vrstvy: drene, zárodočné steny, kôra a obal. U niektorých druhov existuje piata vonkajšia membránová vrstva zvaná exosporium, zložená z lipoproteínu, ktorý obsahuje uhľohydráty.

Medulla alebo centrum je protoplast endospory. Obsahuje chromozóm, ribozómy a glykolytický systém generujúci energiu. Nemusí mať cytochrómy ani u aeróbnych druhov.

Energia na klíčenie je uložená v 3-fosfoglyceráte (neexistuje ATP). Má vysokú koncentráciu kyseliny dipikolínovej (5–15% suchej hmotnosti endospory).

Zárodočná stena spóry obklopuje medulárnu membránu. Obsahuje typický peptidoglykán, ktorý sa počas geminácie stáva bunkovou stenou vegetatívnej bunky.

Kôra je najhrubšia vrstva endospory. Obklopuje zárodočnú stenu. Obsahuje atypický peptidoglykán s menším počtom priečnych väzieb ako je typický, čo ho robí veľmi citlivým na autolýzu pomocou lyzozýmov, ktorá je nevyhnutná na klíčenie.

Obal je zložený z keratínového proteínu, ktorý obsahuje početné intramolekulárne disulfidové väzby. Obklopuje kôru. Jeho nepriepustnosť dodáva odolnosť proti chemickým útokom.

fyziológie

Zdá sa, že kyselina dipikolínová má úlohu pri udržiavaní latencie, stabilizácii DNA a tepelnej odolnosti. Prítomnosť malých rozpustných proteínov v tejto kyseline nasýti DNA a chráni ju pred teplom, vysušením, ultrafialovým svetlom a chemikáliami.

Syntéza atypického peptidoglykánu začína vtedy, keď sa vytvorí asymetrické septo, ktoré oddeľuje vegetatívnu bunku. Týmto spôsobom peptidoglykán rozdeľuje kmeňové bunky, v ktorých sa prespore vyvinie, do dvoch kompartmentov. Peptidoglykán ho chráni pred osmotickými nerovnováhami.

Kôra osmoticky odstraňuje vodu z protoplastov a robí ju odolnejšou voči poškodeniu teplom a žiarením.

Endospory obsahujú enzýmy na opravu DNA, ktoré pôsobia počas aktivácie drene a jej následného klíčenia.

sporuláciu

Proces tvorby endosporu z vegetatívnej bakteriálnej bunky sa nazýva sporulácia alebo sporogenéza.

Endospory sa vyskytujú častejšie, keď sú niektoré kritické živiny nedostatočné. Môže dôjsť aj k produkcii endospore, ktorá predstavuje životné poistenie proti vyhynutiu, ak sú výživné látky bohaté a sú priaznivé ďalšie environmentálne podmienky.

Sporulácia pozostáva z piatich fáz:

1) Tvorba septa (medulárna membrána, zárodočná stena spór). Izoluje sa časť cytoplazmy (budúca medulla) a replikovaný chromozóm.

2) Vytvára sa zárodočná stena spór.

3) Kôra sa syntetizuje.

4) Kryt je vytvorený.

5) Vegetatívna bunka sa degraduje a odumiera, čím uvoľňuje endosporu.

klíčenie

Proces, ktorým sa endospora transformuje do vegetatívnej bunky, sa nazýva klíčenie. Toto je vyvolané enzymatickým rozkladom endosporového povlaku, ktorý umožňuje hydratáciu drene a obnovenie metabolickej aktivity.

Klíčenie pozostáva z troch fáz:

1) Aktivácia. Vyskytuje sa, keď sa obrus, chemický prostriedok alebo teplo poškodí.

2) Klíčenie (alebo začatie). Začína sa, ak sú podmienky prostredia priaznivé. Peptidoglykán sa degraduje, uvoľňuje sa kyselina dipikolínová a bunka sa hydratuje.

3) Ohnisko. Kôra je degradovaná a obnovuje sa biosyntéza a delenie buniek.

patológie

Endozóry patogénnych baktérií sú vážnym zdravotným problémom kvôli ich odolnosti voči zahrievaniu, mrazeniu, dehydratácii a žiareniu, ktoré ničia vegetatívne bunky.

Napríklad niektoré endospory môžu prežiť niekoľko hodín vo vriacej vode (100 ° C). Na rozdiel od toho vegetatívne bunky neodolávajú teplotám nad 70 ° C.

Niektoré baktérie rodu Clostridium a Bacillus produkujúce endospory vylučujú silné proteínové toxíny, ktoré spôsobujú botulizmus, tetanus a antrax.

V závislosti od prípadu liečby zahŕňajú výplach žalúdka, čistenie rán, antibiotiká alebo antitoxínovú terapiu. Medzi preventívne opatrenia patrí hygiena, sterilizácia a očkovanie.

botulizmus

Je to spôsobené kontamináciou spórmi Clostridium botulinum spórami. Najzreteľnejším príznakom je ochrnutie svalov, po ktorom môže nasledovať smrť. Jeho výskyt je nízky.

Existujú tri druhy botulizmu. Dojčenská výživa je spôsobená požitím medu alebo iných prísad kontaminovaných vzduchom, ktoré boli pridané do mlieka. Potraviny sa vyrábajú požitím kontaminovaných potravín (ako sú konzervované potraviny), surové alebo zle varené. Napokon je zranenie spôsobené kontaktom so zemou, ktorá je prirodzeným biotopom C. botulinum.

tetanus

Je to spôsobené Clostridium tetani. Medzi jej príznaky patria svalové kontrakcie, ktoré sú veľmi bolestivé (v gréčtine znamená slovo „tetanus“ kontrakciu) a také silné, že môžu spôsobiť zlomeniny kostí. To je často fatálne. Jeho výskyt je nízky.

Infekčné spóry C. tetani typicky vstupujú do tela cez ranu, v ktorej klíčia. Počas rastu, ktorý vyžaduje, aby rana bola slabo okysličená, vegetatívne bunky produkujú tetanický toxín.

Baktérie a ich endospory sú bežné v životnom prostredí vrátane pôdy. Boli nájdené v stolici ľudí a zvierat.

antrax

Je spôsobená Bacillus anthracis. Jeho príznaky sa veľmi líšia v závislosti od prostredia a miesta infekcie. Je to vážne a často smrteľné ochorenie. Jeho výskyt je stredne vysoký a spôsobuje epidémie u zvierat a ľudí. V 18. storočí antrax zdecimoval európske ovce.

Jeho prirodzeným hostiteľom sú bylinožravé cicavce. Ľudia sa nakazia kontaktom (zvyčajne s povolaním) so zvieratami alebo manipuláciou so živočíšnymi produktmi alebo požitím.

Existujú tri typy antraxu:

1) Kožné. Vstup je spôsobený zraneniami. Na pokožke sa tvoria sčernavé nekrotické vredy.

2) Vdýchnutím. Vstup počas dýchania. Vyvoláva zápal a vnútorné krvácanie a vedie k kóme.

3) Gastrointestinálne. Vstup požitím. Spôsobuje orofaryngeálne vredy, silné krvácanie do brucha a hnačku.

V približne 95% prípadov je ľudská antrax kožná. U menej ako 1% je to gastrointestinálne.

ovládanie

Endospory sa môžu zničiť sterilizáciou v autoklávoch, pričom sa kombinujú tlaky 15 psi a teploty 115–125 ° C počas 7–70 minút. Môžu byť tiež eliminované striedaním zmien teploty a tlaku, takže dochádza k klíčeniu spór, po ktorom nasleduje smrť výsledných vegetatívnych baktérií.

Kyselina peroctová je jedným z najúčinnejších chemických látok na ničenie endospor. Jód, v tinktúre (rozpustenej v alkohole) alebo jodofor (v kombinácii s organickou molekulou) je zvyčajne smrteľný pre endospory.

Deštrukcia endospor v chirurgických nástrojoch sa efektívne dosiahne ich zavedením do nádoby, do ktorej sa indukuje plazma (excitovaný plyn bohatý na voľné radikály), pre ktorú sú niektoré chemické látky vystavené podtlaku a elektromagnetickému poľu.

Deštrukcia endospor vo veľkých objektoch, ako sú matrace, sa dosiahne ich vystavením na niekoľko hodín etylénoxidu v kombinácii s nehorľavým plynom.

Potravinársky priemysel používa oxid chloričitý vo vodnom roztoku na fumigáciu oblastí potenciálne kontaminovaných antraxovými endosporami.

Dusitan sodný pridaný do mäsových výrobkov a antibiotikum nizín pridané do syra bránia rastu baktérií produkujúcich endospory.

Biologické zbrane a bioterorizmus

Bacillus anthracis sa ľahko pestuje. Z tohto dôvodu bola počas dvoch svetových vojen zaradená ako biologická zbraň do arzenálu Nemecka, Veľkej Británie, Spojených štátov, Japonska a Sovietskeho zväzu.

V roku 1937 japonská armáda použila antrax ako biologickú zbraň proti čínskym civilistom v Manchúrii. V roku 1979 v ruskom Sverdlovsku zomrelo na náhodne vdýchnuté spóry z kmeňa B. anthracis najmenej 64 ľudí. V Japonsku a Spojených štátoch sa antrax používa na teroristické účely.

Naproti tomu sa v súčasnosti robia pokusy použiť poťahy endospory ako vehikulum pre terapeutické lieky a pre antigény vytvorené na účely preventívnej imunizácie.

Referencie

Barton, LL Štrukturálne a funkčné vzťahy v prokaryotoch. Springer, New York.
Black, JG 2008. Mikrobiológia: zásady a prieskumy. Hoboken, NJ.
Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Lekárska mikrobiológia. McGraw-Hill, New York.
Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Oživenie a identifikácia bakteriálnych spór vo veku 25 až 40 miliónov rokov Dominikánskeho jantáru. Science 268, 1060-1064.
Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bakteriálne spóry ako vakcínové vehikulá. Infection and Immunity, 71, 2810 - 2818.
Emmeluth, D. 2010. Botulizmus. Infobase Publishing, New York.
Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, New York.
Johnson, SS a kol. 2007. Staroveké baktérie vykazujú dôkaz opravy DNA. Zborník Národnej akadémie vied USA, 104, 14401 - 14405.
Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: od staroveku a temnoty k front-runnerovi v bioterorizme. Kliniky infekčných chorôb v Severnej Amerike, 20, 227–251.
Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Zvyčajne moderná DNA pre baktériu „250 miliónov rokov stará“. Journal of Molecular Evolution, 54, 134 - 137.
Prescott, LM 2002. Mikrobiológia. McGraw-Hill, New York.
Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Obrovské baktérie v sedimentoch jazier ako paleoekologické ukazovatele. Journal of Paleolimnology, 7, 127 - 135.
Ricca, E., SM Cutting. 2003. Nové aplikácie bakteriálnych spór v nanobiotechnológii. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Antrax v Európe: jeho epidemiológia, klinické charakteristiky a úloha v bioterorizme. Clinical Microbiology and Infection, 8, 479 - 488.
Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Vývoj v semennej banke: populačné genetické dôsledky mikrobiálnej dormancie. Evolutionary Applications, 11, 60–75.
Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Základy mikrobiológie. McGraw-Hill, New York.
Tortora, GJ, Funke, BR, prípad, CL 2010. Mikrobiológia: úvod. Benjamin Cummings, San Francisco.
Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Izolácia 250 miliónov rokov starej halotolerantnej baktérie z primárneho kryštálu soli. Náture 407, 897-900.

ENDOSPORY: VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, FORMÁCIA, FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2025