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» подразумевает спору или семеподобную форму ( эндо означает «внутри»), но это не настоящая спора (т.е. не потомство). Это упрощенная, неактивная форма, в которую 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 сухого веса спор. ^[3]

Эндоспоры могут выжить без питательных веществ. Они устойчивы к ультрафиолетовому излучению , высыханию , высокой температуре, экстремальному замораживанию и химическим дезинфицирующим средствам . Впервые гипотеза о терморезистентных эндоспорах была выдвинута 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 Стейнн 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 агенты, 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 «спячки» 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 поэтому могут быть описаны как криптобиотики . Эндоспоры сохраняют неопределенную жизнеспособность на неопределенный срок и могут прорастать в вегетативные клетки при соответствующих условиях. Эндоспоры выживали тысячи лет, пока стимулы окружающей среды не запустили прорастание. Они были охарактеризованы как самые прочные клетки, созданные в природе. ^[8]

Структура [ править ]

Бактерии производят единственную эндоспору внутри. Иногда спора окружена тонким покровом, известным как экзоспорий , который покрывает оболочку споры . Оболочка спор, которая действует как сито, которое исключает большие 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 спорыкоторый заключен в хроматиноподобные белки, известные как SASP (небольшие растворимые в кислоте 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, способствующие термостойкости. ^[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. Для борьбы с этим используется специальная техника окрашивания, называемая пятном Меллера . Это позволяет эндоспоре окрашиваться в красный цвет, а остальные клетки окрашиваются 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
• Пальто 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 более или менее расположены 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 оболочку из спор 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 эндоспор к УФ-излучению и агрессивным химическим веществам, которые обычно уничтожают микробы. ^[3] Теперь споруляция завершена, и зрелая эндоспора высвободится, когда окружающие вегетативные клетки разложатся.

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. Чтобы убить больше всегоспоры сибирской язвы , стандартный бытовой отбеливатель (с 10% гипохлорита 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 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 культивируется, 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 чувствительных инвазивных инструментах, таких как эндоскопы , уничтожаются низкотемпературными и неагрессивными стерилизаторами оксида этилена. ETO - единственное низкотемпературное стерилизующее средство, которое останавливает вспышки заболеваний на этих инструментах. ^[18] Напротив, «дезинфекция высокого уровня» не убивает эндоспоры, но используется для инструментов, таких 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, химических веществ и излучения. 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 обезвоживание считается очень важным для устойчивости эндоспоры к теплу и излучению.
• 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 спор, 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, ответственная за поддержание состояния покоя, имеет белковую оболочку, богатую цистином, стабилизированную SS-связями. Уменьшение этих связей может изменить третичную структуру, вызывая разворачивание белка. Считается, что это конформационное изменение белка отвечает за обнажение активных ферментных участков, необходимых для прорастания эндоспор. ^[19]

Эндоспоры могут очень долго оставаться в спящем состоянии. 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, застрявшей 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 формирования 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 пациенты с кожной сибирской язвой выздоровели. Если бы не антибактериальная терапия, 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 жизни 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 поверхностного отображения пептидов и белков 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