ENDOSPORY: CHARAKTERISTIKA, STRUKTURA, FORMOVÁNÍ, FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Tyto endospory jsou formy přežití některých bakterií, se skládají z buňkami v klidu a dehydrovaných povlečených ochranných vrstev, které ukazují extrémní odolnost vůči chemické a fyzické zátěži. Dokážou vydržet donekonečna bez živin. Jsou tvořeny uvnitř bakterií.

Endospory jsou nejodolnější známé živé struktury. Mohou přežít vysoké teploty, ultrafialové světlo, gama záření, vysoušení, osmóza, chemická činidla a enzymatická hydrolýza.

Zdroj: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Když to podmínky prostředí určují, endosporové klíčení vede ke vzniku aktivních bakterií, které se živí a množí.

Endospory jsou typem spor. Existují houby, prvoky, řasy a rostliny, které produkují své vlastní typy. Endospory postrádají reprodukční funkci: každá bakteriální buňka produkuje pouze jednu. Naopak v jiných organismech mohou mít reprodukční funkci.

Dějiny

V polovině 17. století byl nizozemský obchodník s látkou a průkopník mikrobiologie Antonie van Leeuwenhoek pomocí geniálních mikroskopů, které sám vytvořil a vyrobil, první, kdo pozoroval živé mikroorganismy, včetně prvoků, řas, kvasinek, hub a bakterií.

V roce 1859 sponzorovala Francouzská akademie věd soutěž, na které se podílel francouzský chemik Louis Pasteur. Cílem bylo vrhnout světlo experimentem „spontánní generace“, starověké hypotézy, která navrhuje, že život může vycházet z „životně důležitých sil“ nebo „přenosných látek“ přítomných v neživé nebo rozkládající se hmotě.

Pasteur ukázal, že stejně jako v případě vína jsou vzduch a pevné částice zdrojem mikrobů, které rostou v kultivačních vývaru, které byly dříve sterilizovány teplem. Krátce poté, v roce 1877, anglický fyzik John Tyndall potvrdil Pasteurova pozorování, čímž konečně ránu hypotéze spontánní generace.

Tyndall také poskytl důkazy o extrémně žáruvzdorných formách bakterií. Nezávisle, mezi lety 1872 a 1885, německý botanik Ferdinand Cohn považoval zakladatele moderní mikrobiologie za detailní popis bakteriálních endospor.

Dlouhověkost

Většina organismů žije v prostředí, které se liší v čase a prostoru. Společnou strategií pro přežití podmínek prostředí dočasně nevhodných pro růst a reprodukci je vstoupit do stavu reverzibilního klidu, během kterého se jednotlivci schovávají v ochranných strukturách a minimalizují své energetické výdaje.

Přechod mezi aktivním a latentním stavem je metabolicky nákladný. Tato investice je větší, když si jednotlivci musí vybudovat své vlastní ochranné struktury, ať už jsou složeny z exogenních materiálů nebo biosyntetizováni uvnitř. Kromě toho musí být jednotlivci schopni reagovat na podněty prostředí, které způsobují přechod.

Latence vytváří rezervu spících jedinců, kterou lze aktivovat, jakmile se znovu objeví příznivé podmínky. Tyto nádrže umožňují zachování populací a jejich genetickou rozmanitost. Pokud jde o patogenní bakterie produkující endospory, latence usnadňuje jejich přenos a ztěžuje jejich kontrolu.

Bakteriální endospory mohou zůstat životaschopné po mnoho let. Bylo argumentováno, že endospory konzervované ve starých substrátech, jako je permafrost, vodní sedimenty, podzemní ložiska soli nebo jantar, mohou zůstat životaschopné tisíce a dokonce miliony let.

Pozorování

Vizualizace polohy a dalších charakteristik endospor je velmi užitečná pro identifikaci druhů bakterií.

Endospory lze vidět pomocí světelného mikroskopu. U bakterií podrobených barvení Gram nebo methylenovou modří se tyto rozlišují jako bezbarvé oblasti uvnitř vegetativní bakteriální buňky. Je to proto, že stěny endospor jsou odolné proti průniku běžnými barvícími činidly.

Byla vyvinuta specifická metoda barvení pro endospory, známá jako diferenciální barvení Schaeffer-Fulton, která je činí jasně viditelnými. Tato metoda umožňuje vizualizovat jak ty, které jsou uvnitř bakteriální vegetativní buňky, tak ty, které jsou mimo ni.

Metoda Schaeffer-Fulton je založena na schopnosti malachitové zeleně barvit stěnu endospor. Po aplikaci této látky se safranin používá k zabarvení vegetativních buněk.

Výsledkem je diferenciální barvení endospor a vegetativních buněk. První získává zelenou barvu a druhá růžovobarevnou barvu.

Struktura

Uvnitř vegetativní buňky nebo sporangia mohou být endospory umístěny terminálně, subterminálně nebo centrálně. Tato bakteriální forma má čtyři vrstvy: dřeň, zárodečná stěna, kůra a obal. U některých druhů existuje pátá vnější membránová vrstva zvaná exosporium, složená z lipoproteinu, který obsahuje uhlohydráty.

Medulla nebo centrum je protoplast endospory. Obsahuje chromozom, ribozomy a glykolytický systém vytvářející energii. Nemusí mít žádné cytochromy, a to ani u aerobních druhů.

Energie pro klíčení je uložena v 3-fosfoglycerátu (neexistuje ATP). Má vysokou koncentraci kyseliny dipikolinové (5–15% sušiny endospory).

Vnitřní stěna spory obklopuje medulární membránu. Obsahuje typický peptidoglykan, který se během geminace stává buněčnou stěnou vegetativní buňky.

Kůra je nejsilnější vrstvou endospory. Obklopuje zárodečnou zeď. Obsahuje atypický peptidoglykan s menším počtem zesítění než ten typický, což je velmi citlivé na autolýzu pomocí lysozymů, které jsou nezbytné pro klíčivost.

Obal je složen z keratinového proteinu, který obsahuje četné intramolekulární disulfidové vazby. Obklopuje kůru. Jeho nepropustnost propůjčuje odolnost proti chemickým útokům.

Fyziologie

Zdá se, že kyselina dipikolinová má roli při udržování latence, stabilizaci DNA a tepelné odolnosti. Přítomnost malých rozpustných proteinů v této kyselině nasycuje DNA a chrání ji před teplem, sušením, ultrafialovým světlem a chemikáliemi.

Syntéza atypického peptidoglykanu začíná, když se vytvoří asymetrické septum, které odděluje vegetativní buňku. Tímto způsobem peptidoglykan rozděluje kmenovou buňku, ve které se prespore vyvine na dvě kompartmenty. Peptidoglykan ho chrání před osmotickými nerovnováhami.

Kortex osmoticky odstraňuje vodu z protoplastu, čímž je odolnější vůči poškození teplem a zářením.

Endospory obsahují enzymy pro opravu DNA, které působí při aktivaci dřeně a jejím následném klíčení.

Sporulace

Proces tvorby endosporu z vegetativní bakteriální buňky se nazývá sporulace nebo sporogeneze.

Endospory se vyskytují častěji, když jsou určité kritické živiny nedostatek. Může dojít také k produkci endospor, představující životní pojištění proti vyhynutí, pokud jsou živiny bohaté a jiné podmínky prostředí jsou příznivé.

Sporulace se skládá z pěti fází:

1) Tvorba septa (medulární membrána, zárodečná stěna spory). Izolovaná je část cytoplazmy (budoucí medulla) a replikovaný chromozom.

2) Vyvíjí se zárodečná stěna spory.

3) Kůra je syntetizována.

4) Kryt je vytvořen.

5) Vegetativní buňka degraduje a umírá, čímž uvolňuje endosporu.

Klíčení

Proces, kterým se endospora transformuje do vegetativní buňky, se nazývá klíčení. To je vyvoláno enzymatickým rozkladem endosporového potahu, který umožňuje hydrataci dřeně a restart metabolické aktivity.

Klíčivost se skládá ze tří fází:

1) Aktivace. Vyskytuje se, když se otěrem, chemickým činidlem nebo teplem poškodí kryt.

2) Klíčivost (nebo iniciace). Začíná, pokud jsou podmínky prostředí příznivé. Peptidoglykan je degradován, uvolňuje se kyselina dipikolinová a buňka je hydratována.

3) Vypuknutí. Kůra je degradována a biosyntéza a opětovné rozdělení buněk.

Patologie

Endospory patogenních bakterií jsou vážným zdravotním problémem kvůli jejich odolnosti vůči zahřívání, mrazení, dehydrataci a záření, které ničí vegetativní buňky.

Například některé endospory mohou přežít několik hodin ve vroucí vodě (100 ° C). Naproti tomu vegetativní buňky neodolávají teplotám nad 70 ° C.

Některé endospory produkující bakterie rodu Clostridium a Bacillus vylučují silné proteinové toxiny, které způsobují botulismus, tetanus a antrax.

Léčení zahrnuje výplach žaludku, čištění rány, antibiotika nebo antitoxinovou terapii. Preventivní opatření zahrnují hygienu, sterilizaci a očkování.

Botulismus

Je způsobena kontaminací spór Clostridium botulinum. Nejzřetelnějším příznakem je ochrnutí svalů, po kterém může následovat smrt. Jeho výskyt je nízký.

Existují tři typy botulismu. Infantilie je způsobena požitím medu nebo jiných přísad kontaminovaných vzduchem, které byly přidány do mléka. Potraviny se vyrábějí požitím kontaminovaných potravin (jako jsou konzervy), syrové nebo špatně vařené. Nakonec je zranění způsobeno kontaktem se zemí, což je přirozené prostředí C. botulinum.

Tetanus

Je to způsobeno Clostridium tetani. Mezi jeho příznaky patří svalové kontrakce, které jsou velmi bolestivé (v řečtině slovo „tetanus“ znamená stahovat se) a tak silné, že mohou způsobit zlomené kosti. To je často fatální. Jeho výskyt je nízký.

Infekční spory C. tetani obvykle vstupují do těla rány, ve které klíčí. Během růstu, který vyžaduje, aby byla rána špatně okysličena, produkují vegetativní buňky toxin tetanu.

Bakterie a jejich endospory jsou běžné v životním prostředí, včetně půdy. Byly nalezeny ve stolici lidí a zvířat.

Antrax

Je to způsobeno Bacillus anthracis. Její příznaky se velmi liší v závislosti na prostředí a místě infekce. Je to závažné a často smrtelné onemocnění. Jeho výskyt je středně vysoký a způsobuje epidemie u zvířat a lidí. V 18. století antrax zdecimoval evropské ovce.

Herbivorní savci jsou jeho přirozeným hostitelem. Lidé jsou nakaženi kontaktem (obvykle na pracovišti) se zvířaty nebo manipulací nebo požitím živočišných produktů.

Existují tři typy antraxu:

1) Kožní. Vstup je způsoben zraněním. Na pokožce se vytvářejí načernalé nekrotické vředy.

2) Inhalací. Vstup při dýchání. Vyvolává zánět a vnitřní krvácení a vede k bezvědomí.

3) Gastrointestinální. Vstup při požití. Způsobuje orofaryngeální vředy, těžké břišní krvácení a průjem.

V přibližně 95% případů je lidská antrax kožní. V méně než 1% je gastrointestinální.

Řízení

Endospory lze zničit sterilizací v autoklávech kombinováním tlaků 15 psi a teplot 115–125 ° C po dobu 7–70 minut. Mohou být také eliminovány střídavými změnami teploty a tlaku, takže dochází ke vyklíčení spór následovaným smrtí výsledných vegetativních bakterií.

Kyselina peroctová je jedním z nejúčinnějších chemických látek pro ničení endospor. Jód, v tinktuře (rozpuštěný v alkoholu) nebo jodofor (v kombinaci s organickou molekulou) je obvykle smrtelný pro endospory.

Zničení endospor v chirurgických nástrojích je účinně dosaženo jejich zavedením do nádoby, do které je indukována plazma (excitovaný plyn bohatý na volné radikály), pro kterou jsou některé chemické látky vystaveny podtlaku a elektromagnetickému poli.

Zničení endospor ve velkých objektech, jako jsou matrace, je dosaženo vystavením na několik hodin ethylenoxidu v kombinaci s nehořlavým plynem.

Potravinářský průmysl používá oxid chloričitý ve vodném roztoku k fumigaci oblastí potenciálně kontaminovaných antraxovými endospory.

Dusitan sodný přidávaný do masných výrobků a antibiotikum nisin přidávané do sýra brání růstu bakterií produkujících endospory.

Biologické zbraně a bioterorismus

Bacillus anthracis se snadno pěstuje. Z tohoto důvodu byla během dvou světových válek zařazena jako biologická zbraň do arzenálů Německa, Velké Británie, Spojených států, Japonska a Sovětského svazu.

V roce 1937 použila japonská armáda antrax jako biologickou zbraň proti čínským civilistům v Manchurii. V roce 1979 v ruském Sverdlovsku zemřelo na náhodně vdechující spory z kmene B. anthracis nejméně 64 lidí. V Japonsku a ve Spojených státech se antrax používá k teroristickým účelům.

Naproti tomu se v současné době provádějí pokusy o použití endosporových povlaků jako vehikula pro terapeutická léčiva a pro antigeny vytvořené pro účely preventivní imunizace.

Reference

1. Barton, LL Strukturální a funkční vztahy v prokaryotech. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Mikrobiologie: principy a průzkumy. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Lékařská mikrobiologie. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Oživení a identifikace bakteriálních spór u 25 až 40 milionů let starého dominikánského jantaru. Science 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bakteriální spory jako vakcinační vehikula. Infection and Immunity, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulismus. Infobase Publishing, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, New York.
8. Johnson, SS a kol. 2007. Starověké bakterie vykazují důkaz opravy DNA. Sborník Národní akademie věd USA, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: od starověku a nejasností k front-runnerovi v bioterorismu. Kliniky infekčních nemocí Severní Ameriky, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Zvědavě moderní DNA pro bakterii „250 milionů let stará“. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Mikrobiologie. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Obrovské bakterie v sedimentech jezera jako paleoekologické indikátory. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Cutting. 2003. Vznikající aplikace bakteriálních spór v nanobiotechnologii. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Anthrax v Evropě: jeho epidemiologie, klinické charakteristiky a role v bioterorismu. Clinical Microbiology and Infection, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Evoluce s bankou semen: populační genetické důsledky mikrobiální dormancie. Evoluční aplikace, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Základy v mikrobiologii. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Mikrobiologie: úvod. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Izolace 250 milionů let staré halotolerantní bakterie z primárního krystalu soli. Nature 407, 897-900.