Эндоспора

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Endospore»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июнь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Окрашенный препарат из клеток Bacillus subtilis, эндоспоры показаны зеленым цветом, а вегетативные клетки - красным.

Фазово-яркие эндоспоры Paenibacillus alvei, полученные с помощью фазово-контрастной микроскопии

Эндоспоры являются бездействующей , жесткой и нерепродуктивной структурой производства некоторых бактерий в филюме Firmicutes . ^{[1] [2]} Название «эндоспора» предполагает наличие споры или семеподобной формы ( эндо означает «внутри»), но это не настоящая спора (то есть не потомство). Это упрощенная, неактивная форма, до которой бактерия может преобразоваться. Образование эндоспор обычно вызывается недостатком питательных веществ и обычно происходит у грамположительных бактерий . При образовании эндоспор бактерия делится внутри своей клеточной стенки, а затем одна сторона поглощает другую. ^[3] Эндоспоры способствуют развитию бактерийбездействовать в течение длительных периодов времени, даже столетий. Есть много сообщений о том, что споры остаются жизнеспособными в течение 10 000 лет, и утверждается, что споры возрастом в миллионы лет возродились. Есть одно сообщение о жизнеспособных спорах Bacillus marismortui в кристаллах соли возрастом приблизительно 250 миллионов лет. ^{[4] [5]} Когда окружающая среда становится более благоприятной, эндоспора может вернуться в вегетативное состояние. Большинство видов бактерий не могут перейти в эндоспорную форму. Примеры видов бактерий, которые могут образовывать эндоспоры, включают Bacillus cereus , Bacillus anthracis , Bacillus thuringiensis , Clostridium botulinum иClostridium tetani . ^[6]

Эндоспора состоит из ДНК бактерии , рибосом и большого количества дипиколиновой кислоты . Дипиколиновая кислота - это специфическое для спор химическое вещество, которое, по-видимому, помогает эндоспорам поддерживать состояние покоя. Это химическое вещество составляет до 10% от сухой массы спор. ^[3]

Эндоспоры могут выжить без питательных веществ. Они устойчивы к ультрафиолетовому излучению , высыханию , высокой температуре, экстремальному замораживанию и химическим дезинфицирующим средствам . Терморезистентные эндоспоры были впервые высказаны Фердинандом Коном после изучения роста Bacillus subtilis на сыре после кипячения сыра. Его представление о спорах как о репродуктивном механизме роста было большим ударом по предыдущим предположениям о спонтанном зарождении. Астрофизик Стейн Сигурдссон сказал: «На Земле были обнаружены жизнеспособные бактериальные споры, которым 40 миллионов лет, и мы знаем, что они очень устойчивы к радиации». ^[7] Обычные антибактериальные средства, разрушающие стенки вегетативных клеток, не влияют на эндоспоры. Эндоспоры обычно находятся в почве и воде, где они могут сохраняться в течение длительного периода времени. Множество различных микроорганизмов образуют «споры» или «цисты», но эндоспоры грамположительных бактерий с низким содержанием G + C являются наиболее устойчивыми к суровым условиям. ^[3]

Некоторые классы бактерий могут превращаться в экзоспоры, также известные как микробные цисты , вместо эндоспор. Экзоспоры и эндоспоры - это два типа стадий «гибернации» или «покоя», наблюдаемые у некоторых классов микроорганизмов.

Жизненный цикл бактерий [ править ]

Жизненный цикл бактерий не обязательно включает споруляцию. Неблагоприятные условия окружающей среды обычно вызывают споруляцию, чтобы помочь бактериям выжить. Эндоспоры не проявляют никаких признаков жизни и, таким образом, могут быть описаны как криптобиотики . Эндоспоры сохраняют неопределенную жизнеспособность на неопределенный срок и могут прорастать в вегетативные клетки при соответствующих условиях. Эндоспоры выжили тысячи лет, пока стимулы окружающей среды не запустили прорастание. Они были охарактеризованы как самые прочные клетки, произведенные в природе. ^[8]

Структура [ править ]

Бактерии производят единственную эндоспору внутри. Иногда спора окружена тонким покровом, известным как экзоспориум , который покрывает оболочку споры . Оболочка спор, которая действует как сито, которое не пропускает крупные токсичные молекулы, такие как лизоцим , устойчива ко многим токсичным молекулам и может также содержать ферменты , участвующие в прорастании . В эндоспорах Bacillus subtilus оболочка споры, по оценкам, содержит более 70 белков оболочки, которые организованы во внутренний и внешний слой оболочки. ^[9] Рентгенограмма очищенного B. subtilis.эндоспоры указывают на присутствие компонента с регулярной периодической структурой, который, как предположили Кадота и Иидзима, может быть образован из кератиноподобного белка. ^[10] Однако после дальнейших исследований эта группа пришла к выводу, что структура белка оболочки спор отличается от кератина. ^[11] При секвенировании генома B. subtilis не было обнаружено ортолога кератина человека. ^[12] В коры головного мозга лежит под споровой пальто и состоит из пептидогликана . Центральная стенка лежит под корой и окружает протопласт или ядро эндоспоры. Ядро содержит хромосомную ДНК споры.который заключен в хроматиноподобные белки, известные как SASP (небольшие кислоторастворимые белки спор), которые защищают ДНК спор от УФ-излучения и тепла. Ядро также содержит нормальные клеточные структуры, такие как рибосомы и другие ферменты , но не является метаболически активным.

До 20% сухого веса эндоспоры состоит из дипиколината кальция в ядре, который, как считается, стабилизирует ДНК . Дипиколиновая кислота может отвечать за термостойкость спор, а кальций может способствовать устойчивости к теплу и окислителям. Однако были выделены мутанты, устойчивые к нагреванию, но лишенные дипиколиновой кислоты, что позволяет предположить, что действуют и другие механизмы, влияющие на термостойкость. ^[13] Небольшие кислоторастворимые белки (SASP) находятся в эндоспорах. Эти белки плотно связывают и конденсируют ДНК и частично отвечают за устойчивость к ультрафиолетовому излучению и химическим веществам, повреждающим ДНК. ^[3]

Визуализация эндоспор под световой микроскопией может быть затруднена из-за непроницаемости стенки эндоспор для красителей и пятен. В то время как остальная часть бактериальной клетки может окрашиваться, эндоспора остается бесцветной. Чтобы бороться с этим, используется особая техника окрашивания, называемая пятном Меллера . Это позволяет эндоспоре окрашиваться в красный цвет, а остальная часть клетки окрашивается в синий цвет. Другой метод окрашивания эндоспор - это окраска по Шефферу-Фултону , при которой эндоспоры окрашиваются в зеленый цвет, а тельца бактерий - в красный. Расположение слоев спор следующее:

• Экзоспориум
• Шуба из спор
• Кора споры
• Основная стена

Местоположение [ править ]

Положение эндоспоры отличается у разных видов бактерий и полезно для идентификации. Основными типами внутри клетки являются терминальные, субтерминальные и центрально расположенные эндоспоры. Терминальные эндоспоры видны на полюсах клеток, тогда как центральные эндоспоры находятся более или менее посередине. Субтерминальные эндоспоры - это эндоспоры между этими двумя крайностями, обычно видимые достаточно далеко к полюсам, но достаточно близко к центру, чтобы не считаться ни терминальными, ни центральными. Иногда видны боковые эндоспоры.

Примеры бактерий, имеющих терминальные эндоспоры, включают Clostridium tetani , патоген, вызывающий столбняк . Бактерии, имеющие центральную эндоспору, включают Bacillus cereus . Иногда эндоспора может быть настолько большой, что клетка может растягиваться вокруг эндоспоры. Это типично для Clostridium tetani .

Формирование и разрушение [ править ]

В условиях голодания, особенно при отсутствии источников углерода и азота, в некоторых бактериях образуется одна эндоспора в результате процесса, называемого споруляцией. ^[14]

Когда бактерия обнаруживает, что условия окружающей среды становятся неблагоприятными, она может запустить процесс эндоспоруляции, который занимает около восьми часов. ДНК реплицируются и мембрана стена известна как споровая перегородка начинает формироваться между ним и остальной частью клетки. Плазматическая мембрана клетки окружает эту стену и зажимает от , чтобы оставить двойную мембрану вокруг ДНК, и проявочная структура теперь известна как forespore. Дипиколинат кальция, кальциевая соль дипиколиновой кислоты, в это время включается в передспору. Дипиколиновая кислота помогает стабилизировать белки и ДНК в эндоспоре. ^{[15] : 141}Затем между двумя слоями образуется кора пептидогликана, и бактерия добавляет споровую оболочку снаружи передспоры. На заключительных стадиях формирования эндоспор вновь образующаяся эндоспора обезвоживается и созревает перед высвобождением из материнской клетки. ^[3] Кора головного мозга делает эндоспоры такими устойчивыми к температуре. Кора содержит внутреннюю мембрану, известную как ядро. Внутренняя мембрана, которая окружает это ядро, обеспечивает устойчивость эндоспоры к ультрафиолетовому излучению и агрессивным химическим веществам, которые обычно уничтожают микробы. ^[3] Теперь споруляция завершена, и зрелая эндоспора высвободится, когда окружающие вегетативные клетки разрушатся.

Эндоспоры устойчивы к большинству агентов, которые обычно убивают вегетативные клетки, из которых они образовались. В отличие от клеток-персистеров, эндоспоры являются результатом процесса морфологической дифференциации, вызванного ограничением питательных веществ (голоданием) в окружающей среде; эндоспоруляция инициируется зондированием кворума в «голодающем» населении. ^{[15] : 141} Большинство дезинфицирующих средств, таких как бытовые чистящие средства, спирты , соединения четвертичного аммония и детергенты , мало влияют на эндоспоры. Однако стерилизующие алкилирующие агенты, такие как оксид этилена (ETO) и 10% отбеливатель, эффективны против эндоспор. Убить больше всегоспоры сибирской язвы , стандартный бытовой отбеливатель (с 10% гипохлоритом натрия ) должны контактировать со спорами не менее нескольких минут; очень небольшая часть спор может выжить в таком растворе более 10 минут. ^[16] Более высокие концентрации отбеливателя не более эффективны и могут вызвать агрегацию некоторых типов бактерий и, таким образом, выживание.

Несмотря на то, что эндоспоры обладают значительной устойчивостью к воздействию тепла и излучения, их можно разрушить путем сжигания или автоклавирования при температуре, превышающей точку кипения воды, 100 ° C. Эндоспоры способны выживать при 100 ° C в течение нескольких часов, хотя чем больше количество часов, тем меньше их выживет. Косвенный способ уничтожить их - поместить их в среду, которая снова активирует их вегетативное состояние. Они прорастут в течение дня или двух при правильных условиях окружающей среды, а затем вегетативные клетки, не такие выносливые, как эндоспоры, могут быть легко уничтожены. Этот косвенный метод называется тиндаллизацией . Некоторое время в конце 19 века это был обычный метод, до появления недорогих автоклавов. Длительное воздействиеионизирующее излучение , такое как рентгеновские лучи и гамма-лучи , также убивает большинство эндоспор.

Эндоспоры определенных типов (обычно непатогенных) бактерий, таких как Geobacillus stearothermophilus , используются в качестве зондов для проверки того, что автоклавированный предмет стал действительно стерильным: небольшая капсула, содержащая споры, помещается в автоклав вместе с предметами; после цикла содержимое капсулы культивируют, чтобы проверить, не вырастет ли из нее что-нибудь. Если ничего не будет расти, значит, споры уничтожены и стерилизация прошла успешно. ^[17]

В больницах эндоспоры на тонких инвазивных инструментах, таких как эндоскопы , уничтожаются низкотемпературными и неагрессивными стерилизаторами оксида этилена. ETO - единственное низкотемпературное стерилизующее средство, предотвращающее вспышки заболеваний на этих инструментах. ^[18] Напротив, «дезинфекция высокого уровня» не убивает эндоспоры, но используется для таких инструментов, как колоноскоп, которые не попадают в стерильные полости тела. В последнем методе используется только теплая вода, ферменты и моющие средства.

Бактериальные эндоспоры устойчивы к антибиотикам, большинству дезинфицирующих средств и физическим агентам, таким как радиация, кипячение и сушка. Считается, что непроницаемость оболочки спор отвечает за устойчивость эндоспор к химическим веществам. Термостойкость эндоспор обусловлена ​​множеством факторов:

• Дипиколинат кальция, изобилующий эндоспорами, может стабилизировать и защитить ДНК эндоспор.
• Небольшие кислоторастворимые белки (SASP) насыщают ДНК эндоспор и защищают ее от тепла, высыхания, химикатов и радиации. Они также служат источником углерода и энергии для развития вегетативных бактерий во время прорастания.
• Кора головного мозга может осмотически удалять воду из внутренней части эндоспоры, и возникающее в результате обезвоживание считается очень важным для устойчивости эндоспор к теплу и радиации.
• Наконец, ферменты репарации ДНК, содержащиеся в эндоспоре, способны восстанавливать поврежденную ДНК во время прорастания.

Повторная активация [ править ]

Реактивация эндоспор происходит при более благоприятных условиях и включает активацию , прорастание и рост . Даже если эндоспора находится в большом количестве питательных веществ, она может не прорасти, если не произойдет активация. Это может быть вызвано нагреванием эндоспоры. Прорастание вовлекает спящие эндоспоры, которые запускают метаболическую активность и таким образом нарушают гибернацию. Обычно он характеризуется разрывом или абсорбцией оболочки споры, набуханием эндоспор, повышением метаболической активности и потерей устойчивости к стрессу окружающей среды.

Разрастание следует за прорастанием и включает в себя ядро ​​эндоспоры, производящее новые химические компоненты и выходящее из старой оболочки спор, чтобы развиться в полностью функциональную вегетативную бактериальную клетку, которая может делиться, чтобы производить больше клеток.

Эндоспоры содержат в пять раз больше серы, чем вегетативные клетки. Этот избыток серы концентрируется в оболочке спор в виде аминокислоты цистеина . Считается, что макромолекула, отвечающая за поддержание состояния покоя, имеет белковую оболочку, богатую цистином, стабилизированную SS-связями. Уменьшение этих связей может изменить третичную структуру, заставляя белок разворачиваться. Считается, что это конформационное изменение белка отвечает за обнажение активных ферментативных участков, необходимых для прорастания эндоспор. ^[19]

Эндоспоры могут находиться в спящем состоянии очень долгое время. Например, эндоспоры были обнаружены в гробницах египетских фараонов. При помещении в подходящую среду в соответствующих условиях они могли реактивироваться. В 1995 году Рауль Кано из Калифорнийского политехнического государственного университета обнаружил бактериальные споры в кишечнике окаменелой пчелы, пойманной в янтаре с дерева в Доминиканской Республике. Возраст окаменелой пчелы в янтаре составляет около 25 миллионов лет. Споры прорастали, когда янтарь был расколот, и материал из кишечника пчелы был извлечен и помещен в питательную среду. После того, как споры были проанализированы под микроскопом, было установлено, что клетки были очень похожи на Bacillus sphaericus, который сегодня встречается у пчел в Доминиканской Республике. ^[15]

Важность [ править ]

В качестве упрощенной модели клеточной дифференцировки молекулярные детали образования эндоспор были тщательно изучены, особенно в модельном организме Bacillus subtilis . Эти исследования внесли большой вклад в наше понимание регуляции экспрессии генов , факторов транскрипции и субъединиц сигма-фактора РНК-полимеразы .

Эндоспоры бактерии Bacillus anthracis использовались во время приступов сибирской язвы в 2001 году . Порошок, обнаруженный в зараженных почтовых письмах, состоял из эндоспор сибирской язвы. Это преднамеренное распространение привело к 22 известным случаям сибирской язвы (11 ингаляционных и 11 кожных). Летальность среди пациентов с ингаляционной сибирской язвой составила 45% (5/11). Шесть других людей с ингаляционной сибирской язвой и все люди с кожной сибирской язвой выздоровели. Если бы не антибиотикотерапия, многие могли бы пострадать. ^[15]

Согласно ветеринарным документам ВОЗ, B. anthracis спорулирует, когда видит кислород вместо углекислого газа, присутствующего в крови млекопитающих; это сигнализирует бактериям, что они достигли конца животного, и полезна неактивная диспергируемая морфология.

Споруляция требует наличия свободного кислорода. В естественной ситуации это означает, что вегетативные циклы происходят в среде с низким содержанием кислорода инфицированного хозяина, а внутри хозяина организм находится исключительно в вегетативной форме. Оказавшись вне хозяина, споруляция начинается при контакте с воздухом, и формы спор являются, по сути, единственной фазой в окружающей среде. ^{[20] [21]}

Биотехнология [ править ]

Споры Bacillus subtilis полезны для экспрессии рекомбинантных белков и, в частности, для отображения пептидов и белков на поверхности в качестве инструмента для фундаментальных и прикладных исследований в области микробиологии, биотехнологии и вакцинации. ^[22]

Эндоспорообразующие бактерии [ править ]

Примеры эндоспорообразующих бактерий включают следующие роды:

См. Также [ править ]

• Окрашивание эндоспор

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме эндоспор .

• Marise А. Хасси, Энн Zayaitz эндоспоровой Stain Протокол Микроб библиотека ( Американское общество микробиологии )
• Эндоспоры - Краткая страница микробиологического текста
• Малахитовый зеленый - техника окрашивания эндоспор (видео)
• Устойчивость эндоспор Bacillus к экстремальным наземным и внеземным условиям