Эндоспора - Endospore

Окрашенный препарат клетки Bacillus subtilis эндоспоры показаны зеленым цветом, а вегетативные клетки - красным
Фазово-яркие эндоспоры Paenibacillus alvei изображение получено с помощью фазово-контрастной микроскопии

An эндоспора это бездействующий, жесткая и нерепродуктивная структура, созданная некоторыми бактерии в типе Фирмикуты.[1][2] Название «эндоспора» предполагает форму споры или семя (эндо означает внутри), но это не правда спора (т.е. не потомок). Это упрощенная, неактивная форма, в которую бактерия может преобразоваться. Образование эндоспор обычно вызывается нехваткой питательных веществ и обычно происходит в грамположительные бактерии. При образовании эндоспор бактерия делится внутри своей клеточной стенки, а затем одна сторона поглощает другую.[3] Эндоспоры позволяют бактерии бездействовать в течение длительных периодов времени, даже столетий. Есть много сообщений о том, что споры остаются жизнеспособными более 10 000 лет, и утверждается, что споры возрастом в миллионы лет возродились. Есть одно сообщение о жизнеспособных спорах Bacillus marismortui в кристаллах соли возрастом около 250 миллионов лет.[4][5] Когда Окружающая среда становится более благоприятным, эндоспора может перейти в вегетативное состояние. Большинство видов бактерий не могут перейти в эндоспорную форму. Примеры бактериальных виды которые могут образовывать эндоспоры, включают Bacillus cereus, бацилла сибирской язвы, Bacillus thuringiensis, Clostridium botulinum, и Clostridium tetani.[6]

Эндоспора состоит из ДНК бактерии, рибосом и большого количества дипиколиновая кислота. 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 ультрафиолетовая радиация, высыхание, высокая температура, экстремальное замораживание и химические дезинфицирующие средства. Терморезистивные эндоспоры были впервые предположены Фердинанд Кон после учебы Bacillus subtilis рост на сыре после варки 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 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 грамположительные бактерии с низким содержанием G + C на сегодняшний день наиболее устойчивы к суровым условиям.[3]

Некоторые классы бактерий могут превращаться в экзоспоры, также известные как микробные кисты, а не эндоспоры. Экзоспоры и эндоспоры - это два типа стадий «спячки» или «покоя», наблюдаемые у некоторых классов микроорганизмов.

Формирование эндоспоры в процессе споруляции.

Структура

Вариации морфологии эндоспор: (1, 4) центральная эндоспора; (2, 3, 5) терминальная эндоспора; (6) боковая эндоспора

Бактерии производят единственную эндоспору внутри. Иногда спора окружена тонкой оболочкой, известной как экзоспорий, который перекрывает споровая шерсть. Покрытие из спор, которое действует как сито что исключает большие токсичные молекулы, такие как лизоцим, устойчив ко многим токсичным молекулы а также может содержать ферменты которые участвуют в прорастание. В Bacillus subtilus эндоспоры, оболочка споры, по оценкам, содержит более 70 белков оболочки, которые организованы во внутренний и внешний слой оболочки.[8] Рентгенограмма очищенного Б. subtilis Эндоспоры указывают на присутствие компонента с регулярной периодической структурой, который, как предположили Кадота и Иидзима, может быть образован из кератиноподобного белка.[9] Однако после дальнейших исследований эта группа пришла к выводу, что структура белка оболочки спор отличается от кератина.[10] Когда Б. subtilis геном секвенирован, ортолог кератина человека не обнаружен.[11] В кора лежит под покровом спор и состоит из пептидогликан. В основная стена лежит под корой и окружает протопласт или ядро эндоспоры. Ядро содержит споры хромосомных ДНК который заключен в хроматин -подобные 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 метаболически не активен.

До 20% сухого веса эндоспоры состоит из кальций дипиколинат внутри ядра, что, 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.[12] Небольшие кислоторастворимые белки (SASP) обнаруживаются 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 Пятно Меллера используется. Это позволяет эндоспоре окрашиваться в красный цвет, а остальная часть клетки окрашивается в синий цвет. Другой метод окрашивания эндоспор - это Пятно Шеффера-Фултона, который окрашивает эндоспоры в зеленый цвет и тельца бактерий в красный цвет. Расположение слоев спор следующее:

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

Расположение

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 заболевание 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

Формирование эндоспор и цикл
Дальнейшая информация: Бактериальная морфологическая пластичность

В условиях голодания, особенно при недостатке источников углерода и азота, внутри некоторых бактерий образуется одна эндоспора в результате процесса, называемого споруляцией.[13]

Когда бактерия обнаруживает, что условия окружающей среды становятся неблагоприятными, она может запустить процесс эндоспоруляции, который занимает около восьми часов. В ДНК реплицируется и мембранная стенка, известная как спора перегородка начинает формироваться между ним и остальной частью клетки. В плазматическая мембрана клетки окружает эту стенку и отщепляется, образуя двойную мембрану вокруг ДНК, и развивающаяся структура теперь известна как передспора. Дипиколинат кальция, кальциевая соль дипиколиновой кислоты, в это время включается в передспору. Дипиколиновая кислота помогает стабилизировать белки и ДНК в эндоспоре.[14]: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 - это то, что делает эндоспору такой устойчивой 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 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 проверка кворума среди «голодающего» населения.[14]:141 Большинство дезинфицирующих средств, таких как бытовые чистящие средства, спирты, четвертичные аммониевые соединения и моющие средства мало влияют на эндоспоры. Однако стерилизующий алкилирование такие агенты, как окись этилена (ETO) и 10% отбеливатель эффективны против эндоспор. Чтобы убить больше всего сибирская язва споры, стандартный бытовой отбеливатель (с 10% гипохлорит натрия ) должен находиться в контакте со спорами не менее нескольких минут; очень небольшая часть спор может выжить в таком растворе более 10 минут.[15] 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 теплу и радиации, их можно разрушить путем сжигания или автоклавирование при температуре выше точки кипения воды 100 ° С. Эндоспоры способны выживать при 100 ° C в течение нескольких часов, хотя чем больше количество часов, тем меньше выживет. Косвенный способ уничтожить их - поместить в среду, которая реактивирует их до вегетативного состояния. 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 тиндаллизация. Некоторое время в конце 19 века это был обычный метод, до появления недорогих автоклавов. Длительное воздействие ионизирующее излучение, такие как рентгеновские лучи и гамма лучи, также убьет большинство эндоспор.

Эндоспоры некоторых типов (обычно непатогенных) бактерий, таких как Geobacillus stearothermophilus, используются в качестве датчиков 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.[16]

В больницах эндоспоры на тонких инвазивных инструментах, таких как эндоскопы убиваются низкотемпературными и неагрессивными стерилизаторами оксида этилена. ETO - единственное низкотемпературное стерилизующее средство, которое останавливает вспышки заболеваний на этих инструментах.[17] 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, 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.

Реактивация

Реактивация эндоспоры происходит при более благоприятных условиях и включает: активация, прорастание, и отросток. 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, запускающие метаболическую активность и, таким образом, выводящие из спячки. Обычно он характеризуется разрывом или абсорбцией оболочки спор, набуханием эндоспор, увеличением 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, цистеин. Считается, что макромолекула, отвечающая за поддержание состояния покоя, имеет белковую оболочку, богатую цистином, стабилизированную S-S-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.[18]

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 взломан, и материал из кишечника пчелы был извлечен и помещен в питательную среду. После того, как споры были проанализированы под микроскопом, было установлено, что клетки очень похожи на Bacillus sphaericus который сегодня встречается у пчел в Доминиканской Республике.[14]

Важность

В качестве упрощенной модели для клеточная дифференциация, молекулярные детали формирования эндоспор были тщательно изучены, особенно в модельный организм Bacillus subtilis. Эти исследования внесли большой вклад в наше понимание регуляции экспрессия гена, факторы транскрипции, а фактор сигма подразделения РНК-полимераза.

Эндоспоры бактерии бацилла сибирской язвы использовались в Атаки 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 лечение антибиотиками, многие могли бы пострадать.[14]

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.[19][20]

Биотехнологии

Bacillus subtilis споры 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.[21]

Эндоспорообразующие бактерии

Примеры эндоспорообразующих бактерий включают следующие роды:

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Мюррей, Патрик Р .; Эллен Джо Барон (2003). Руководство по клинической микробиологии. 1. Вашингтон, округ Колумбия: ASM.
  2. ^ К. Майкл Хоган (2010). «Бактерии». В Сидни Драггане; C.J. Кливленд (ред.). Энциклопедия Земли. Вашингтон, округ Колумбия: Национальный совет по науке и окружающей среде. Архивировано из оригинал на 2011-05-11.
  3. ^ а б c d е ж «Бактериальные эндоспоры». Колледж сельского хозяйства и наук о жизни Корнельского университета, факультет микробиологии. В архиве с оригинала 15 июня 2018 г.. Получено Двадцать первое октября, 2018.
  4. ^ Кано, RJ; Боруки, МК (1995). «Возрождение и идентификация бактериальных спор в доминиканском янтаре возрастом 25-40 миллионов лет». Наука. 268 (5213): 1060–1064. Bibcode:1995Научный ... 268.1060C. Дои:10.1126 / science.7538699. PMID  7538699.
  5. ^ Ринго, Джон (2004). «Размножение бактерий». Фундаментальная генетика. С. 153–160. Дои:10.1017 / CBO9780511807022.018. ISBN  9780511807022.
  6. ^ "эндоспора " в Медицинский словарь Дорланда
  7. ^ Сотрудники BBC (23 августа 2011 г.). «Вероятнее всего, от столкновений с Земли распространилась жизнь». BBC. В архиве из оригинала 24 августа 2011 г.. Получено 2011-08-24.
  8. ^ Энрикес АО, Моран С.П. младший (2007). «Структура, сборка и функция поверхностных слоев спор». Анну Рев Микробиол. 61: 555–588. Дои:10.1146 / annurev.micro.61.080706.093224. PMID  18035610.
  9. ^ Кадота Х., Иидзима К. (1965). "Рентгенограмма спор Bacillus subtilis". Agric Biol Chem. 29 (1): 80–81. Дои:10.1080/00021369.1965.10858352.
  10. ^ Хираги Y, Иидзима К. и Кадота Х (1967). "Шестиугольный монокристаллический узор из спорового покрытия Bacillus subtilis". Природа. 215 (5097): 154–5. Bibcode:1967Натура.215..154H. Дои:10.1038 / 215154a0. PMID  4963432.
  11. ^ Kunst F, et al. (1997). "Полная последовательность генома грамположительной бактерии Bacillus subtilis". Природа. 390 (6657): 249–56. Bibcode:1997Натура.390..249K. Дои:10.1038/36786. PMID  9384377.
  12. ^ Прескотт, Л. (1993). Микробиология, Вт. C. Brown Publishers, ISBN  0-697-01372-3.
  13. ^ «2.4E: Эндоспоры». Биология LibreTexts. 2016-03-02. Получено 2019-12-30.
  14. ^ а б c d Поммервиль, Джеффри К. (2014). Основы микробиологии (10-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Jones & Bartlett Learning. ISBN  978-1449688615.
  15. ^ Хенингер, Сара; Кристин А. Андерсон; Джеральд Бэлц; Эндрю Б. Ондердонк (1 января 2009 г.). «Обеззараживание спор Bacillus anthracis: оценка различных дезинфицирующих средств». Прикладная биобезопасность. 14 (1): 7–10. Дои:10.1177/153567600901400103. ЧВК  2957119. PMID  20967138.
  16. ^ «Автоклав». Архивировано из оригинал 3 марта 2016 г.. Получено 18 июня, 2016.
  17. ^ "Стерилизация этиленоксидом | Рекомендации по дезинфекции и стерилизации | Библиотека руководств | Инфекционный контроль | CDC". www.cdc.gov. 4 апреля 2019. В архиве из оригинала 17 ноября 2019 г.. Получено 11 октября 2019.
  18. ^ Keynan, A .; Эвенчик, З .; Halvorson, H.O .; Гастингс, Дж. У. (1964). «Активация бактериальных эндоспор». Журнал бактериологии. 88 (2): 313–318. Дои:10.1128 / JB.88.2.313-318.1964. ЧВК  277301. PMID  14203345.
  19. ^ Сибирская язва у людей и животных (PDF) (4-е изд.). МЭБ. 2008 г. ISBN  978-92-4-154753-6. В архиве (PDF) с оригинала от 23.10.2012. Получено 2013-08-22.
  20. ^ «Заболевания, внесенные в список МЭБ, и другие важные болезни» (PDF). Наземное руководство. 2012. Архивировано с оригинал (PDF) 12 августа 2016 г.. Получено 18 июня, 2016.
  21. ^ Абель-Сантос, Э (редактор) (2012). Бактериальные споры: современные исследования и применение. Caister Academic Press. ISBN  978-1-908230-00-3.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (ссылка на сайт)

внешние ссылки