ЭНДОСПОРЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРУКТУРА, ОБРАЗОВАНИЕ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

Эти эндоспорами являются формами выживания некоторых бактерий, состоят из покоящихся клеток и обезвоженных с покрытием защитных слоев, показывая исключительную стойкость к химическим и физическим нагрузкам. Они способны длиться бесконечно при отсутствии питательных веществ. Они образуются внутри бактерий.

Эндоспоры - самые устойчивые из известных живых структур. Они могут выдерживать высокие температуры, ультрафиолетовый свет, гамма-излучение, сушку, осмос, химические агенты и ферментативный гидролиз.

Источник: Дартмутский центр электронного микроскопа, Дартмутский колледж.

Когда условия окружающей среды определяют это, эндоспоры прорастают, давая начало активным бактериям, которые питаются и размножаются.

Эндоспоры - это разновидность спор. Есть грибы, простейшие, водоросли и растения, которые производят свои собственные виды. Эндоспоры лишены репродуктивной функции: каждая бактериальная клетка производит только одну. У других организмов, наоборот, они могут выполнять репродуктивную функцию.

история

В середине 17 века голландский торговец тканями и пионер микробиологии Антони ван Левенгук, используя изобретательные микроскопы, разработанные и изготовленные им самим, первым наблюдал за живыми микроорганизмами, включая простейшие, водоросли, дрожжи, грибы и бактерии.

В 1859 году Французская академия наук спонсировала конкурс, в котором участвовал французский химик Луи Пастер. Цель состояла в том, чтобы пролить свет с помощью эксперимента по «спонтанному зарождению» - древней гипотезы, согласно которой жизнь может возникать из «жизненных сил» или «передаваемых веществ», присутствующих в неживой или разлагающейся материи.

Пастер показал, что, как и в случае с вином, воздух и твердые частицы являются источником микробов, которые растут в культуральных бульонах, предварительно стерилизованных теплом. Вскоре после этого, в 1877 году, английский физик Джон Тиндаль подтвердил наблюдения Пастера, нанеся последний удар по гипотезе самозарождения.

Тиндаль также представил доказательства существования чрезвычайно термостойких форм бактерий. Независимо от того, между 1872 и 1885 годами немецкий ботаник Фердинанд Кон, считающийся основоположником современной микробиологии, подробно описал бактериальные эндоспоры.

долголетие

Большинство организмов живут в среде, различающейся во времени и пространстве. Распространенной стратегией выживания в условиях окружающей среды, временно непригодных для роста и воспроизводства, является переход в состояние обратимого покоя, во время которого люди укрываются в защитных сооружениях и сводят к минимуму свои затраты энергии.

Переход между активным и латентным состояниями является метаболически затратным. Эти вложения больше, когда люди должны строить свои собственные защитные структуры, будь они состоят из экзогенных материалов или биосинтезированы внутри. Кроме того, люди должны уметь реагировать на стимулы окружающей среды, вызывающие переход.

Задержка порождает резервуар бездействующих особей, которые могут быть активированы при возобновлении благоприятных условий. Эти водоемы позволяют сохранять популяции и их генетическое разнообразие. Когда дело доходит до патогенных бактерий, продуцирующих эндоспоры, латентный период облегчает их передачу и затрудняет борьбу с ними.

Бактериальные эндоспоры могут оставаться жизнеспособными в течение многих лет. Утверждалось, что эндоспоры, сохранившиеся в древних субстратах, таких как вечная мерзлота, водные отложения, подземные солевые отложения или янтарь, могут оставаться жизнеспособными в течение тысяч и даже миллионов лет.

наблюдение

Визуализация положения и других характеристик эндоспор очень полезна для идентификации видов бактерий.

Эндоспоры можно увидеть с помощью светового микроскопа. У бактерий, подвергнутых окрашиванию по Граму или метиленовому синему, они выделяются как бесцветные участки внутри вегетативной бактериальной клетки. Это связано с тем, что стенки эндоспор устойчивы к проникновению обычных окрашивающих реагентов.

Был разработан специальный метод окрашивания эндоспор, известный как дифференциальное окрашивание по Шефферу-Фултону, который делает их четко видимыми. Этот метод позволяет визуализировать как те, что находятся внутри вегетативной клетки бактерии, так и те, что находятся вне ее.

Метод Шеффера-Фултона основан на способности малахитового зеленого окрашивать стенки эндоспор. После нанесения этого вещества сафранин используется для окраски вегетативных клеток.

Результат - дифференциальное окрашивание эндоспор и вегетативных клеток. Первые приобретают зеленый цвет, вторые - розоватый.

Структура

Внутри вегетативной клетки или спорангия эндоспоры могут располагаться на концах, субтерминалах или в центре. Эта бактериальная форма имеет четыре слоя: мозговое вещество, зародышевую стенку, кору и покров. У некоторых видов есть пятый внешний мембранный слой, называемый экзоспориумом, состоящий из липопротеинов, содержащих углеводы.

Мозговое вещество или центр - это протопласт эндоспоры. Он содержит хромосомы, рибосомы и гликолитическую систему производства энергии. Он может не иметь цитохромов даже у аэробных видов.

Энергия для прорастания сохраняется в 3-фосфоглицерате (там нет АТФ). В нем высокая концентрация дипиколиновой кислоты (5–15% от сухой массы эндоспоры).

Стенка зародыша споры окружает мозговую оболочку. Он содержит типичный пептидогликан, который во время геминации становится клеточной стенкой вегетативной клетки.

Кора - это самый толстый слой эндоспоры. Окружает ростковую стенку. Он содержит атипичный пептидогликан с меньшим количеством поперечных связей, чем типичный, что делает его очень чувствительным к автолизу лизоцимами, необходимым для прорастания.

Шерсть состоит из кератиноподобного белка, содержащего многочисленные внутримолекулярные дисульфидные связи. Окружает кору. Его непроницаемость обеспечивает устойчивость к химическим атакам.

физиология

Дипиколиновая кислота, по-видимому, играет роль в поддержании латентного периода, стабилизации ДНК и термостойкости. Присутствие небольших растворимых белков в этой кислоте насыщает ДНК и защищает ее от тепла, высыхания, ультрафиолета и химикатов.

Синтез атипичного пептидогликана начинается, когда образуется асимметричная перегородка, разделяющая вегетативную клетку. Таким образом, пептидогликан делит стволовую клетку, в которой преспора разовьется, на два отсека. Пептидогликан защищает его от осмотического дисбаланса.

Кора головного мозга осмотически удаляет воду из протопласта, делая его более устойчивым к тепловым и радиационным повреждениям.

Эндоспоры содержат ферменты репарации ДНК, которые действуют во время активации костного мозга и его последующего прорастания.

спорообразование

Процесс образования эндоспоры из вегетативной бактериальной клетки называется спороношением или спорогенезом.

Эндоспоры возникают чаще, когда не хватает некоторых важных питательных веществ. Также может происходить образование эндоспор, что представляет собой страховку жизни от исчезновения, когда питательных веществ много и другие условия окружающей среды благоприятны.

Споруляция состоит из пяти фаз:

1) Формирование перегородки (мозговая оболочка, зародышевая стенка споры). Выделяют часть цитоплазмы (будущего мозгового вещества) и реплицированную хромосому.

2) Развивается ростковая стенка спор.

3) Кора головного мозга синтезируется.

4) Формируется крышка.

5) Вегетативная клетка разлагается и умирает, высвобождая эндоспору.

прорастание

Процесс превращения эндоспоры в вегетативную клетку называется прорастанием. Это вызвано ферментативным разрушением покрытия эндоспор, что позволяет гидратировать костный мозг и возобновить метаболическую активность.

Прорастание состоит из трех этапов:

1) Активация. Это происходит при истирании, химическом воздействии или нагревании покрытия.

2) Прорастание (или начало). Начинается при благоприятных условиях окружающей среды. Пептидогликан разлагается, высвобождается дипиколиновая кислота, и клетка гидратируется.

3) Вспышка. Кора головного мозга разрушается, и биосинтез и деление клеток возобновляются.

патология

Эндоспоры патогенных бактерий представляют серьезную проблему для здоровья из-за их устойчивости к нагреванию, замораживанию, обезвоживанию и радиации, которые действительно убивают вегетативные клетки.

Например, некоторые эндоспоры могут выжить в течение нескольких часов в кипящей воде (100 ° C). Напротив, вегетативные клетки не выдерживают температуры выше 70 ° C.

Некоторые продуцирующие эндоспоры бактерии из родов Clostridium и Bacillus выделяют мощные белковые токсины, вызывающие ботулизм, столбняк и сибирскую язву.

В зависимости от случая лечение включает промывание желудка, очищение ран, антибиотики или терапию антитоксинами. Профилактические меры включают гигиену, стерилизацию и вакцинацию.

ботулизм

Это вызвано заражением спорами Clostridium botulinum. Самый очевидный симптом - паралич мышц, который может привести к смерти. Заболеваемость невысока.

Есть три типа ботулизма. Инфантильность возникает из-за приема внутрь меда или других добавок, загрязненных воздухом, которые добавлены в молоко. В свою очередь, пища производится путем употребления зараженной пищи (такой как консервы), сырой или плохо приготовленной. Наконец, травмы возникают в результате контакта с землей, которая является естественной средой обитания C. botulinum.

Столбняк

Это вызвано Clostridium tetani. Его симптомы включают в себя мышечные сокращения, которые очень болезненны (по-гречески слово «столбняк» означает сокращение) и настолько сильны, что могут привести к переломам костей. Часто это приводит к летальному исходу. Заболеваемость невысока.

Инфекционные споры C. tetani обычно попадают в организм через рану, в которой они прорастают. Во время роста, который требует, чтобы рана была плохо насыщена кислородом, вегетативные клетки вырабатывают столбнячный токсин.

Бактерии и их эндоспоры широко распространены в окружающей среде, включая почву. Они были обнаружены в кале людей и животных.

сибирская язва

Это вызвано Bacillus anthracis. Его симптомы сильно различаются в зависимости от окружающей среды и места заражения. Это серьезное и часто смертельное заболевание. Заболеваемость умеренно высока, вызывая эпидемии среди животных и людей. В 18 веке сибирская язва уничтожила европейских овец.

Естественным хозяином являются травоядные млекопитающие. Люди заражаются при контакте (обычно на работе) с животными, а также при обращении с продуктами животного происхождения или проглатывании их.

Существует три типа сибирской язвы:

1) Кожный. Вход производится травмами. На коже образуются черноватые некротические язвы.

2) При вдыхании. Вход при дыхании. Он вызывает воспаление и внутреннее кровотечение и приводит к коме.

3) Желудочно-кишечный тракт. Вход путем проглатывания. Он вызывает язвы ротоглотки, сильное брюшное кровотечение и диарею.

Примерно в 95% случаев сибирская язва у человека возникает через кожу. Менее чем в 1% это желудочно-кишечный тракт.

контроль

Эндоспоры можно разрушить путем стерилизации в автоклавах при давлении 15 фунтов на квадратный дюйм и температуре 115–125 ° C в течение 7–70 минут. Их также можно устранить путем чередования изменений температуры и давления, так что происходит прорастание спор с последующей гибелью образующихся вегетативных бактерий.

Перуксусная кислота - одно из самых эффективных химических агентов для разрушения эндоспор. Йод в настойке (растворенный в спирте) или йодофор (в сочетании с органической молекулой) также обычно смертелен для эндоспор.

Разрушение эндоспор в хирургических инструментах эффективно достигается путем помещения их в контейнер, в котором индуцируется плазма (возбужденный газ, богатый свободными радикалами), для которого определенные химические вещества подвергаются воздействию отрицательного давления и электромагнитного поля.

Разрушение эндоспор в крупных предметах, таких как матрасы, достигается путем воздействия на них оксида этилена в сочетании с негорючим газом в течение нескольких часов.

Пищевая промышленность использует диоксид хлора в водном растворе для фумигации участков, потенциально загрязненных эндоспорами сибирской язвы.

Нитрит натрия, добавленный в мясные продукты, и антибиотик низин, добавленный в сыр, предотвращают рост бактерий, продуцирующих эндоспоры.

Биологическое оружие и биотерроризм

Bacillus anthracis легко выращивать. По этой причине во время двух мировых войн он был включен как биологическое оружие в арсеналы Германии, Великобритании, США, Японии и Советского Союза.

В 1937 году японская армия применила сибирскую язву в качестве биологического оружия против китайского гражданского населения в Маньчжурии. В 1979 году в Свердловске, Россия, по меньшей мере 64 человека умерли от случайного вдыхания спор штамма B. anthracis военного происхождения. В Японии и США сибирская язва использовалась в террористических целях.

Напротив, в настоящее время предпринимаются попытки использовать покрытия эндоспор в качестве носителя для терапевтических препаратов и антигенов, созданных для целей профилактической иммунизации.

Ссылки

1. Бартон, Л.Л. Структурные и функциональные взаимоотношения у прокариот. Спрингер, Нью-Йорк.
2. Блэк, Дж. Г. 2008. Микробиология: принципы и исследования. Хобокен, штат Нью-Джерси.
3. Брукс, GF, Butel, JS, Кэрролл, KC, Морс, SA 2007. Медицинская микробиология. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.
4. Кано, Р.Дж., Боруки, М.К. 1995, Возрождение и идентификация бактериальных спор в доминиканском янтаре возрастом от 25 до 40 миллионов лет. Science 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Бактериальные споры как носители вакцин. Инфекция и иммунитет, 71, 2810–2818.
6. Эммельут, Д. 2010. Ботулизм. Информационная база, Нью-Йорк.
7. Guilfoile, P. 2008. Столбняк. Информационная база, Нью-Йорк.
8. Джонсон, С.С. и др. 2007. Древние бактерии демонстрируют доказательства восстановления ДНК. Труды Национальной академии наук США, 104, 14401–14405.
9. Кириаку, Д.М., Адамски, А., Хардори, Н. 2006. Сибирская язва: от древности и безвестности до лидера биотерроризма. Клиники инфекционных заболеваний Северной Америки, 20, 227–251.
10. Никль Д. К., Леран, Г. Х., Рейн, М. В., Мулинс, Д. И., Миттлер, Д. Э. 2002. Удивительно современная ДНК бактерии возрастом «250 миллионов лет». Журнал молекулярной эволюции, 54, 134–137.
11. Прескотт, Л. М. 2002. Микробиология. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.
12. Ренберг, И., Нильссон, М. 1992. Спящие бактерии в озерных отложениях как палеоэкологические индикаторы. Журнал палеолимнологии, 7, 127–135.
13. Э. Рикка, С. М. Резка. 2003. Новые применения бактериальных спор в нанобиотехнологии. Журнал нанобиотехнологий, jnanobiotechnology.com
14. Шмид, Г., Кауфманн, А. 2002. Сибирская язва в Европе: ее эпидемиология, клинические характеристики и роль в биотерроризме. Клиническая микробиология и инфекции, 8, 479–488.
15. Шумейкер, WR, Леннон, JT 2018. Эволюция с семенным фондом: популяционно-генетические последствия микробного покоя. Эволюционные приложения, 11, 60–75.
16. Таларо, К.П., Таларо, А. 2002. Основы микробиологии. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.
17. Тортора, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Микробиология: введение. Бенджамин Каммингс, Сан-Франциско.
18. Вриланд, Р. Х., Розенцвейг, В. Д., Пауэрс, Д. В. 2000. Выделение галотолерантных бактерий возрастом 250 миллионов лет из первичного кристалла соли. Nature 407, 897-900.