ENDOSPORER: EGENSKAPER, STRUKTUR, BILDNING, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

De endosporer är former av överlevnaden av vissa bakterier, består av vilande celler och dehydratiserade belagda skyddsskikt, visar extrema beständighet mot kemisk och fysisk stress. De kan hålla sig på obestämd tid i frånvaro av näringsämnen. De bildas i bakterier.

Endosporer är de mest resistenta levande strukturerna som är kända. De kan överleva höga temperaturer, ultraviolett ljus, gammastrålning, uttorkning, osmos, kemiska medel och enzymatisk hydrolys.

Källa: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

När miljöförhållandena bestämmer det, spirar endosporerna och ger upphov till aktiva bakterier som matar och förökas.

Endosporer är en typ av spore. Det finns svampar, protozoer, alger och växter som producerar sina egna typer. Endosporer saknar reproduktiv funktion: varje bakteriecell producerar endast en. Tvärtom i andra organismer kan de ha en reproduktiv funktion.

Historia

I mitten av 1600-talet var den nederländska tyghandlaren och pionjären inom mikrobiologi Antonie van Leeuwenhoek, med geniala mikroskop designade och tillverkad av sig själv, den första som observerade levande mikroorganismer, inklusive protozoer, alger, jäst, svamp och bakterier.

1859 sponsrade den franska vetenskapsakademin en tävling där den franska kemisten Louis Pasteur deltog. Målet var att belysa genom ett experiment om "spontan generation", en antik hypotes som föreslog att livet kan uppstå från "vitala krafter" eller "överförbara ämnen" närvarande i icke-levande eller sönderdelande ämnen.

Pasteur visade att, precis som för vin, är luft och fasta partiklar källan till de mikrober som växer i odlingsbuljonger som tidigare steriliserats med värme. Strax efter, 1877, bekräftade den engelska fysikern John Tyndall Pasteurs iakttagelser och satte det slutgiltiga slaget för hypotesen om spontan generation.

Tyndall gav också bevis för extremt värmebeständiga former av bakterier. Mellan 1872 och 1885 beskrev den tyska botanikern Ferdinand Cohn, som ansågs grundare av modern mikrobiologi, bakterieendosporer i detalj.

Livslängd

De flesta organismer lever i miljöer som varierar i tid och rum. En gemensam strategi för att överleva miljöförhållanden som tillfälligt är olämpliga för tillväxt och reproduktion är att gå in i ett tillstånd av vändbar dval, under vilken individer söker tillflykt i skyddande strukturer och minimerar sina energikostnader.

Övergången mellan aktiva och latenta tillstånd är metaboliskt kostsam. Denna investering är större när individer måste bygga sina egna skyddande strukturer, vare sig de består av exogena material eller biosyntetiseras inom. Dessutom måste individer kunna svara på miljömässiga stimuli som orsakar övergången.

Latency genererar en reservoar av vilande individer som kan aktiveras när gynnsamma förhållanden dyker upp igen. Dessa reservoarer möjliggör bevarande av populationer och deras genetiska mångfald. När det gäller endospor-producerande patogena bakterier underlättar latensen deras överföring och gör deras kontroll svår.

Bakteriella endosporer kan förbli livskraftiga under många år. Det har hävdats att endosporer bevarade i forntida underlag, såsom permafrost, vattenlevande sediment, underjordiska saltavlagringar eller bärnsten kan förbli livskraftiga i tusentals och till och med miljoner år.

Observation

Visualisering av positionerna och andra egenskaper hos endosporerna är mycket användbart för identifiering av bakteriesorter.

Endosporer kan ses med hjälp av ett ljusmikroskop. I bakterier som utsätts för Gram- eller metylenblå färgning, skiljs dessa ut som färglösa regioner inom den vegetativa bakteriecellen. Detta beror på att endosporernas väggar är resistenta mot penetrering av vanliga färgningsreagens.

En specifik färgningsmetod för endosporer, känd som Schaeffer-Fulton differentiell färg, har utvecklats som gör dem tydligt synliga. Denna metod gör det möjligt att visualisera både de som finns i den bakteriella vegetativa cellen och de som är utanför den.

Schaeffer-Fulton-metoden är baserad på förmågan hos malakitgrön att fläcka väggen hos endosporer. Efter applicering av detta ämne används safranin för att färga de vegetativa cellerna.

Resultatet är en differentiell färgning av endosporer och vegetativa celler. Den förstnämnda får en grön färg och den senare en rosa färg.

Strukturera

Inom den vegetativa cellen eller sporangium kan endosporerna vara lokaliserade terminal, subterminal eller centralt. Denna bakterieform har fyra lager: medulla, groddvägg, cortex och täcka. I vissa arter finns det ett femte yttre membranskikt som kallas exosporium, sammansatt av lipoprotein som innehåller kolhydrater.

Medulla eller centrum är protoplasten av endosporen. Den innehåller kromosomen, ribosomerna och ett glykolytiskt energigenererande system. Det kanske inte har cytokromer, inte ens i aeroba arter.

Energin för grodd lagras i 3-fosfoglycerat (det finns ingen ATP). Den har en hög koncentration av dipicolinsyra (5–15% av endosporans torrvikt).

Sporens grovvägg omger det medullära membranet. Den innehåller typiska peptidoglycan, som under gemination blir den vegetativa cellens vägg.

Cortex är det tjockaste skiktet i endosporen. Omger bakterieväggen. Den innehåller atypisk peptidoglykan, med färre tvärbindningar än den typiska, vilket gör den mycket känslig för autolys med lysozym, nödvändig för groddning.

Pälsen består av ett keratinliknande protein som innehåller många intramolekylära disulfidbindningar. Omger cortex. Dess ogenomtränglighet ger resistens mot kemiska attacker.

Fysiologi

Dipikolinsyra verkar ha en roll i latensunderhåll, DNA-stabilisering och värmebeständighet. Närvaron av små lösliga proteiner i denna syra mättar DNA: t och skyddar det från värme, uttorkning, ultraviolett ljus och kemikalier.

Syntesen av den atypiska peptidoglykan börjar när ett asymmetriskt septum bildas som delar den vegetativa cellen. På detta sätt delar peptidoglycan stamcellen i vilken förporen kommer att utvecklas till två avdelningar. Peptidoglycan skyddar den mot osmotiska obalanser.

Cortex avlägsnar osmotiskt vatten från protoplasten, vilket gör det mer motståndskraftigt mot värme och strålningsskador.

Endosporer innehåller DNA-reparationsenzymer, som verkar under aktiveringen av märgen och dess efterföljande spiring.

sporulering

Processen att bilda en endospor från en vegetativ bakteriecell kallas sporulering eller sporogenes.

Endosporer förekommer oftare när vissa kritiska näringsämnen är bristfälliga. Det kan också förekomma produktion av endospor, som representerar livförsäkring mot utrotning, när näringsämnen är rikliga och andra miljöförhållanden är gynnsamma.

Sporulering består av fem faser:

1) Bildning av septum (medullär membran, sporrvägg i sporen). En del av cytoplasma (framtida medulla) och en replikerad kromosom isoleras.

2) Sporens grovvägg utvecklas.

3) Cortex är syntetiserad.

4) Höljet är utformat.

5) Den vegetativa cellen bryts ned och dör och frigör därmed endosporen.

Groning

Processen genom vilken en endospore förvandlas till en vegetativ cell kallas spiring. Detta utlöses av enzymatisk nedbrytning av endosporbeläggningen, vilket möjliggör hydrering av märgen och omstart av metabolisk aktivitet.

Spira består av tre faser:

1) Aktivering. Det inträffar när nötning, ett kemiskt medel eller värmeskada locket.

2) Spira (eller initiering). Det börjar om miljöförhållandena är gynnsamma. Peptidoglycan bryts ned, dipicolinsyra frisätts och cellen hydratiseras.

3) Utbrott. Cortex försämras och biosyntesen och celldelningen startas om.

Patologi

Patogena bakteriernas endosporer är ett allvarligt hälsoproblem på grund av deras motståndskraft mot uppvärmning, frysning, uttorkning och strålning, vilket dödar vegetativa celler.

Till exempel kan vissa endosporer överleva i flera timmar i kokande vatten (100 ° C). Däremot motstår vegetativa celler inte temperaturer över 70 ° C.

Vissa endosporeproducerande bakterier av släkten Clostridium och Bacillus utsöndrar potenta proteintoxiner som orsakar botulism, stivkramp och miltbrand.

Beroende på fall inkluderar behandlingar magsköljning, sårrengöring, antibiotika eller antitoxinbehandling. Förebyggande åtgärder inkluderar hygien, sterilisering och vaccination.

Botulism

Det orsakas av kontaminering med sporer av Clostridium botulinum. Det mest uppenbara symptom är muskelförlamning, som kan följas av döden. Dess förekomst är låg.

Det finns tre typer av botulism. Spädbarnet orsakas av intag av honung eller andra tillsatser, förorenade med luft, som har tillsatts mjölken. För sin del produceras mat genom förtäring av förorenad mat (som konserverad mat), rå eller dåligt kokt. Slutligen produceras skador genom kontakt med marken, som är den naturliga livsmiljön för C. botulinum.

Stelkramp

Det orsakas av Clostridium tetani. Dess symtom inkluderar muskelsammandragningar som är mycket smärtsamma (på grekiska betyder ordet "stivkrampa" att sammandras) och så starka att de kan orsaka trasiga ben. Det är ofta dödligt. Dess förekomst är låg.

Infektionssporer av C. tetani kommer vanligtvis in i kroppen genom ett sår, där de gror. Under tillväxt, vilket kräver att såret är dåligt syresatt, producerar de vegetativa cellerna stivkrampstoxin.

Bakterierna och deras endosporer är vanliga i miljön, inklusive jord. De har hittats i avföring hos människor och djur.

Mjältbrand

Det orsakas av Bacillus anthracis. Dess symtom varierar mycket beroende på miljön och infektionsstället. Det är en allvarlig och ofta dödlig sjukdom. Dess förekomst är måttligt hög, vilket ger epidemier hos djur och människor. På 1700-talet decimerade miltbruna Europas får.

Växtätande däggdjur är dess naturliga värd. Människor smittas genom kontakt (vanligtvis yrkesmässigt) med djur, eller genom hantering eller intag av animaliska produkter.

Det finns tre typer av miltbrand:

1) Kutan. Posten produceras av skador. Svarta, nekrotiska sår bildas på huden.

2) Vid inandning. Ingång under andning. Det producerar inflammation och inre blödningar och leder till koma.

3) Gastrointestinal. Inträde genom förtäring. Det orsakar orofaryngealt magsår, svår bukblödning och diarré.

I ungefär 95% av fallen är mänsklig mjältbrand huden. Hos mindre än 1% är det gastrointestinal.

Kontrollera

Endosporer kan förstöras genom sterilisering i autoklaver, genom att kombinera tryck på 15 psi och temperaturer på 115–125 ° C under 7–70 minuter. De kan också elimineras genom omväxlande förändringar i temperatur och tryck, så att det sporer sporer följt av död av de resulterande vegetativa bakterierna.

Perättiksyra är ett av de mest effektiva kemiska medlen för att förstöra endosporer. Jod, i tinktur (upplöst i alkohol) eller jodofor (i kombination med en organisk molekyl) är också vanligtvis dödlig för endosporer.

Förstörelsen av endosporer i kirurgiska instrument uppnås effektivt genom att införa dem i en behållare i vilken en plasma (exciterad gas rik på fria radikaler) induceras, för vilken vissa kemiska ämnen utsätts för undertryck och ett elektromagnetiskt fält.

Förstörelsen av endosporer i stora föremål, såsom madrasser, uppnås genom att utsätta dem i flera timmar för etylenoxid i kombination med en icke-brandfarlig gas.

Livsmedelsförädlingsindustrin använder klordioxid i vattenlösning för att rensa områden som eventuellt är förorenade med miltbränd endosporer.

Natriumnitrit tillsatt i köttprodukter, och det antibiotiska nisinet som tillsätts till ost, förhindrar tillväxt av endospor-producerande bakterier.

Biologiska vapen och bioterrorism

Bacillus anthracis är lätt att odla. Av den anledningen ingick det under de två världskrigen som ett biologiskt vapen i arsenalerna i Tyskland, Storbritannien, USA, Japan och Sovjetunionen.

1937 använde den japanska armén miltbrand som ett biologiskt vapen mot kinesiska civila i Manchuria. År 1979 dog i Sverdlovsk, Ryssland, minst 64 personer av oavsiktligt inandning av sporer från en militär-härledd stam av B. anthracis. I Japan och USA har miltbrandet använts för terroriständamål.

Däremot försöker man för närvarande använda endosporbeläggningar som en bärare för terapeutiska läkemedel och för antigener skapade för förebyggande immuniseringsändamål.

referenser

1. Barton, LL Strukturella och funktionella relationer i prokaryoter. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Mikrobiologi: principer och utforskningar. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Medicinsk mikrobiologi. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, återupplivning och identifiering av bakteriesporer i 25-40 miljoner år gamla Dominikanska bärnsten. Science 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bakteriesporer som vaccinfordon. Infektion och immunitet, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulism. Infobase Publishing, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, New York.
8. Johnson, SS et al. 2007. Antika bakterier visar bevis på DNA-reparation. Förfaranden från National Academy of Sciences of the USA, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Miltsyra: från antiken och otydlighet till en främre löpare inom bioterrorism. Infektionssjukdomar i Nordamerika, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Nyfiken modernt DNA för en "250 miljoner år gammal" bakterie. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Mikrobiologi. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Sovande bakterier i sjösediment som paleoekologiska indikatorer. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Cutting. 2003. Tillkommande applikationer av bakteriesporer i nanobiotechnology. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Miltsmärta i Europa: dess epidemiologi, kliniska egenskaper och roll i bioterrorism. Clinical Microbiology and Infection, 8, 479–488.
15. Skomakare, WR, Lennon, JT 2018. Evolution med en fröbank: befolkningens genetiska konsekvenser av mikrobiell dvala. Evolutionära tillämpningar, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Grunder i mikrobiologi. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Mikrobiologi: en introduktion. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Isolering av 250 miljoner år gammal halotolerant bakterie från en primär saltkristall. Naturen 407, 897-900.