ENDOSPORE: KARAKTERISTIKE, STRUKTURA, FORMACIJA, FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

Su endospore su oblici preživljavanje određenih bakterija, sastoje se od stanica u stanju mirovanja i sušenog obloženih zaštitnih slojeva, pokazuje izuzetnu otpornost na kemikalije i fizički stres. U stanju su da traju neograničeno u nedostatku hranjivih sastojaka. Oni se formiraju unutar bakterija.

Endospore su najotpornije žive strukture. Oni mogu preživjeti visoke temperature, ultraljubičasto svjetlo, gama zračenje, isušivanje, osmozu, kemijska sredstva i enzimsku hidrolizu.

Izvor: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Kad ih okolišni uvjeti utvrde, endospore klijaju, što stvara aktivne bakterije koje se hrane i razmnožavaju.

Endospore su vrsta spora. Postoje gljive, protozoe, alge i biljke koje proizvode svoje vrste. Endosporima nedostaje reproduktivna funkcija: svaka bakterijska stanica proizvodi samo jednu. U drugim organizmima, naprotiv, mogu imati reproduktivnu funkciju.

Povijest

Sredinom 17. stoljeća nizozemski trgovac tkaninama i pionir mikrobiologije Antonie van Leeuwenhoek, koristeći genijalne mikroskope koje je sam dizajnirao i napravio, prvi je promatrao žive mikroorganizme, uključujući protozoe, alge, kvasce, gljivice i bakterije.

1859. Francuska akademija znanosti pokrenula je natječaj u kojem je sudjelovao francuski kemičar Louis Pasteur. Cilj je bio osvijetliti eksperiment „spontane generacije“, drevne hipoteze koja sugerira da život može nastati iz „vitalnih sila“ ili „prenosivih tvari“ prisutnih u neživoj ili raspadajućoj materiji.

Pasteur je pokazao da su, kao i u slučaju vina, zrak i krute čestice izvor mikroba koji rastu u bujonima kulture prethodno steriliziranim toplinom. Ubrzo nakon toga, 1877. godine, engleski fizičar John Tyndall potvrdio je Pasterove opažanja, zadavši posljednji udarac hipotezi spontane generacije.

Tyndall je također pružio dokaze o izrazito otpornim oblicima bakterija. Neovisno između 1872. i 1885., njemački botaničar Ferdinand Cohn, koji se smatra utemeljiteljem moderne mikrobiologije, detaljno je opisao bakterijske endospore.

Dugovječnost

Većina organizama živi u okruženju koje se razlikuje u vremenu i prostoru. Zajednička strategija za preživljavanje okolišnih uvjeta koji su privremeno neprimjereni za rast i razmnožavanje jest ulazak u stanje reverzibilne uspavanosti tijekom kojeg će se pojedinci skloniti u zaštitne građevine i umanjiti svoje energetske izdatke.

Prijelaz između aktivnog i latentnog stanja metabolički je skup. Ova investicija je veća kada pojedinci moraju izgraditi vlastite zaštitne strukture, bilo da su sastavljene od egzogenih materijala ili unutar biosinteze. Povrh toga, pojedinci moraju biti u mogućnosti reagirati na okolišne podražaje koji uzrokuju prijelaz.

Latencija stvara rezervoar uspavanih pojedinaca koji se mogu aktivirati kada se pojave povoljni uvjeti. Ovi rezervoari omogućuju očuvanje populacija i njihovu genetsku raznolikost. Kada su u pitanju patogene bakterije koje proizvode endospore, latencija olakšava njihov prijenos i otežava njihovu kontrolu.

Bakterijski endospore mogu ostati održivi dugi niz godina. Smatra se da endospore sačuvane u drevnim supstratima, kao što su permafrost, vodeni sedimenti, podzemne naslage soli ili jantara, mogu ostati održivi tisućama, pa čak i milijunima godina.

zapažanje

Vizualizacija položaja i drugih karakteristika endospora vrlo je korisna za identifikaciju vrsta bakterija.

Endospore se mogu vidjeti pomoću svjetlosnog mikroskopa. U bakterijama podvrgnutim bojenju po Gramu ili metilen-plavoj boji razlikuju se kao bezbojne regije unutar vegetativne bakterijske stanice. To je zato što su zidovi endospora otporni na prodiranje običnim reagensima za bojenje.

Razvijena je specifična metoda bojenja za endospore, poznata kao Schaeffer-Fultonova diferencijalna mrlja, koja ih čini jasno vidljivima. Ova metoda omogućuje vizualizaciju i onih koje su unutar bakterijske vegetativne stanice i onih koje se nalaze izvan nje.

Schaeffer-Fulton metoda temelji se na sposobnosti malahita zelene boje da oboji zid endospora. Nakon primjene ove tvari, safranin se koristi za bojenje vegetativnih stanica.

Rezultat je različito bojenje endospora i vegetativnih stanica. Prvi dobivaju zelenu boju, a drugi ružičastu boju.

Struktura

Unutar vegetativne ćelije ili sporangija endospore se mogu nalaziti terminalno, subterminalno ili centralno. Ovaj bakterijski oblik ima četiri sloja: medula, klijava stijenka, korteks i pokrov. Kod nekih vrsta postoji peti vanjski membranski sloj zvan egzosporijum, sastavljen od lipoproteina koji sadrži ugljikohidrate.

Medula ili centar je protoplast endospora. Sadrži kromosom, ribosome i sustav za stvaranje glikolitičke energije. Možda nema citokroma, čak ni u aerobnim vrstama.

Energija za klijanje pohranjena je u 3-fosfogliceratu (nema ATP-a). Sadrži visoku koncentraciju dipikolinske kiseline (5–15% suhe težine endospora).

Klijava stijenka spore okružuje medularnu membranu. Sadrži tipični peptidoglikan koji tijekom geminacije postaje stanična stijenka vegetativne stanice.

Korteks je najdeblji sloj endospora. Okružuje klice zida. Sadrži atipični peptidoglikan, s manje umrežavanja od tipičnog, što ga čini vrlo osjetljivim na autolizu lizocima, potrebnih za klijanje.

Dlaka je sastavljena od proteina nalik keratinu koji sadrži brojne intramolekularne disulfidne veze. Okružuje korteks. Njegova nepropusnost daje otpornost na kemijske napade.

Fiziologija

Čini se da Dipicolinska kiselina ima ulogu u održavanju latencije, stabilizaciji DNK i otpornosti na toplinu. Prisutnost malih topljivih proteina u ovoj kiselini zasitiva DNK i štiti ga od topline, isušivanja, ultraljubičastog svjetla i kemikalija.

Sinteza atipičnog peptidoglikana počinje kada se formira asimetrični septum koji dijeli vegetativnu stanicu. Na taj način peptidoglikan dijeli matičnu stanicu u kojoj će se prespore razviti u dva odjeljka. Peptidoglikan štiti od osmotske neravnoteže.

Korteks osmotski uklanja vodu iz protoplasta, čineći je otpornijom na oštećenja topline i zračenja.

Endospore sadrže enzime za popravljanje DNA, koji djeluju tijekom aktivacije srži i njenog naknadnog klijanja.

sporulacijom

Postupak stvaranja endospora iz vegetativne bakterijske stanice naziva se sporulacija ili sporogeneza.

Endospore se javljaju češće kad su određene kritične hranjive tvari nedostatne. Također može postojati proizvodnja endospora, koja predstavlja životno osiguranje od izumiranja, kada hranjivih sastojaka ima u izobilju i ako su povoljni i drugi okolišni uvjeti.

Sporulacija se sastoji od pet faza:

1) Formiranje septuma (medularna membrana, klica stijenke spore). Izolira se dio citoplazme (buduće medule) i replicirani kromosom.

2) Razvija se klijava stijenka spore.

3) Korteks se sintetizira.

4) Nastaje pokrov.

5) Vegetativna stanica razgrađuje se i umire, oslobađajući tako endospor.

nicanje

Postupak kojim se endospor transformira u vegetativnu stanicu naziva se klijanjem. To je potaknuto enzimatskim raspadom pokrova endospora, koji omogućava hidrataciju mozga i ponovno pokretanje metaboličke aktivnosti.

Klijanje se sastoji od tri faze:

1) Aktivacija. Javlja se kada abrazija, kemijsko sredstvo ili toplina oštete pokrov.

2) klijanje (ili inicijacija). Ona započinje ako su okolišni uvjeti povoljni. Peptidoglikan se razgrađuje, oslobađa se dipikolinska kiselina, a stanica hidrira.

3) izbijanje. Korteks se razgrađuje i ponovno se pokreće biosinteza i dioba stanica.

Patologija

Endospore patogenih bakterija ozbiljan su zdravstveni problem zbog otpornosti na grijanje, smrzavanje, dehidraciju i zračenje, koje ubijaju vegetativne stanice.

Na primjer, neki endospore mogu preživjeti nekoliko sati u kipućoj vodi (100 ° C). Suprotno tome, vegetativne stanice ne odolijevaju temperaturama većim od 70 ° C.

Određene bakterije koje stvaraju endospore iz roda Clostridium i Bacillus izlučuju snažne proteinske toksine koji uzrokuju botulizam, tetanus i antraks.

Ovisno o slučaju, tretmani uključuju ispiranje želuca, čišćenje rana, antibiotike ili terapiju antitoksinima. Preventivne mjere uključuju higijenu, sterilizaciju i cijepljenje.

Botulizam

Nastaje zbog kontaminacije sporama Clostridium botulinum. Njezin najočitiji simptom je mišićna paraliza, koja može biti praćena smrću. Incidencija mu je mala.

Postoje tri vrste botulizma. Dojenčad je uzrokovana gutanjem meda ili drugih aditiva zagađenih zrakom koji su dodani mlijeku. Sa svoje strane, hrana se proizvodi unosom kontaminirane hrane (poput konzervirane hrane), sirove ili loše kuhane. I na kraju, ozljeda nastaje dodirom sa zemljom, što je prirodno stanište C. botulinum.

Tetanus

Izaziva ga Clostridium tetani. Njegovi simptomi uključuju kontrakcije mišića koje su vrlo bolne (na grčkom, riječ "tetanus" znači kontrakcija) i tako jake da mogu uzrokovati slomljene kosti. Često je kobno. Incidencija mu je mala.

Zarazne spore C. tetani obično ulaze u tijelo kroz ranu u kojoj klijaju. Tijekom rasta, koji zahtijeva da rana bude slabo kiseonizirana, vegetativne stanice stvaraju tetanus toksin.

Bakterije i njihovi endospore uobičajene su u okolišu, uključujući tlo. Pronađeni su u izmetu ljudi i životinja.

Antraks

Uzrokuje ga Bacillus anthracis. Njeni simptomi se uvelike razlikuju ovisno o okruženju i mjestu infekcije. To je ozbiljna i često smrtna bolest. Učestalost mu je umjereno visoka što uzrokuje epidemije kod životinja i ljudi. U 18. stoljeću antraks je desetkovao europske ovce.

Biljni biljni sisavci njegov su prirodni domaćin. Ljudi se zaraze kontaktom (obično profesionalnim) sa životinjama ili rukovanjem ili gutanjem životinjskih proizvoda.

Postoje tri vrste antraksa:

1) kožni. Ulaz nastaje zbog ozljeda. Na koži se formiraju crnkasti, nekrotični čirevi.

2) Udisanjem. Ulaz tijekom disanja. Proizvodi upalu i unutarnje krvarenje i dovodi do kome.

3) Gastrointestinalni. Unos putem gutanja. Izaziva orofaringealne čireve, jaka trbušna krvarenja i proljev.

Otprilike u 95% slučajeva ljudski antraks je kožan. U manje od 1% je gastrointestinalni.

Kontrolirati

Endospore se mogu uništiti sterilizacijom u autoklavima, kombiniranjem pritiska od 15 psi i temperature od 115 do 125 ° C u trajanju od 7 do 70 minuta. Također se mogu eliminirati naizmjeničnim promjenama temperature i tlaka, tako da dolazi do klijanja spora nakon čega slijedi smrt rezultirajućih vegetativnih bakterija.

Pera octena kiselina jedno je od najučinkovitijih kemijskih sredstava za uništavanje endospora. Jod, tinktura (otopljena u alkoholu) ili jodfor (u kombinaciji s organskom molekulom) također su obično smrtonosni za endospore.

Uništavanje endospora u kirurškim instrumentima učinkovito se postiže unošenjem u spremnik u koji se inducira plazma (uzbuđeni plin bogat slobodnim radikalima), za koji su određeni kemijski agensi izloženi negativnom tlaku i elektromagnetskom polju.

Uništavanje endospora u velikim objektima, poput madraca, postiže se izlaganjem nekoliko sati etilen oksidu u kombinaciji s nezapaljivim plinom.

Prehrambena industrija koristi klor dioksid u vodenoj otopini da bi zapaljivala područja koja su potencijalno kontaminirana antraks endosporama.

Natrijev nitrit dodan mesnim proizvodima, a antibiotik nisin dodan siru, sprečavaju rast bakterija koje stvaraju endospore.

Biološko oružje i bioterorizam

Bacillus anthracis je lako uzgajati. Zbog toga je tijekom dva svjetska rata bio uključen kao biološko oružje u arsenale Njemačke, Velike Britanije, Sjedinjenih Država, Japana i Sovjetskog Saveza.

1937. japanska je vojska koristila antraks kao biološko oružje protiv kineskih civila u Manchuriji. 1979. godine u Sverdlovsku u Rusiji najmanje 64 ljudi umrlo je od slučajnog udisanja spora od vojnog soja B. anthracis. U Japanu i Sjedinjenim Državama antraks se koristio u terorističke svrhe.

Suprotno tome, trenutačno se pokušavaju koristiti oblozi endospora kao sredstvo za terapijske lijekove i za antigene stvorene u svrhe preventivne imunizacije.

Reference

1. Barton, LL Strukturni i funkcionalni odnosi u prokariotima. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Mikrobiologija: principi i istraživanja. 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 i identifikacija bakterijskih spora u dominikanskom jantaru od 25 do 40 milijuna godina. Znanost 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bakterijske spore kao nositelji cjepiva. Infekcija i imunitet, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulizam. Izdavaštvo Infobase, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Izdavaštvo Infobase, New York.
8. Johnson, SS i sur. 2007. Drevne bakterije pokazuju dokaz popravljanja DNK. Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti SAD, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Antraks: od antike i nejasnoće do predvodnika u bioterrorizmu. Klinike za zarazne bolesti Sjeverne Amerike, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Kiša, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Zanimljivo moderan DNK za bakteriju staru 250 milijuna godina. Časopis za molekularnu evoluciju, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Mikrobiologija. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Uspavane bakterije u jezerskim sedimentima kao paleoekološki pokazatelji. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Rezanje. 2003. Nova aplikacija bakterijskih spora u nanobiotehnologiji. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Antraks u Europi: njegova epidemiologija, kliničke karakteristike i uloga u bioterrorizmu. Klinička mikrobiologija i infekcija, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Evolucija sa sjemenskom bankom: populacijska genetska posljedica mikrobiološkog uspavanja. Evolucijske aplikacije, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Temelji mikrobiologije. 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. Izolacija halotolerantne bakterije stare 250 milijuna godina iz primarnog kristala soli. Priroda 407, 897-900.