ENDOSZPÓRÁK: JELLEMZŐK, SZERKEZET, KIALAKULÁS, FUNKCIÓK - BIOLÓGIA - 2024

Az endoszpórák bizonyos baktériumok túlélési formái, alvó sejtekből és dehidratált bevonattal ellátott védőrétegekből állnak, amelyek rendkívül ellenállnak a kémiai és fizikai stressznek. Tápanyagok nélkül határozatlan ideig képesek maradni. A baktériumokban képződnek.

Az endoszpórák az ismert legelterjedtebb élő szerkezetek. Túlélhetik a magas hőmérsékleteket, az ultraibolya fényt, a gamma-sugárzást, a kiszáradást, az ozmózist, a kémiai szereket és az enzimatikus hidrolízist.

Forrás: Dartmouth elektronmikroszkópos eszköz, Dartmouth Főiskola

Amikor a környezeti feltételek meghatározzák, az endoszpórák csíráznak, és aktív baktériumokat generálnak, amelyek táplálkoznak és szaporodnak.

Az endoszpórák a spóra egy fajtája. Vannak gombák, protozoák, algák és növények, amelyek saját fajtájukat termelik. Az endospórák nem rendelkeznek reproduktív funkcióval: minden baktériumsejt csak egyet termel. Más szervezetekben éppen ellenkezőleg, reprodukciós funkcióval rendelkeznek.

Történelem

A 17. század közepén Antonie van Leeuwenhoek, a holland ruházati kereskedő és a mikrobiológiai úttörő, saját tervezésű és készítésű, ötletes mikroszkópok felhasználásával először figyelt meg élő mikroorganizmusokat, ideértve a protozoákat, algákat, élesztőket, gombákat és baktériumokat.

1859-ben a Francia Tudományos Akadémia szponzorált egy versenyt, amelyen a francia kémikus, Louis Pasteur vett részt. A cél az volt, hogy rávilágítson a „spontán generáció” kísérletén keresztül. Ez az ősi hipotézis azt állította, hogy az élet az élettelen vagy bomló anyagban levő „létfontosságú erők” vagy „transzmissziós anyagok” eredményeként merülhet fel.

A Pasteur kimutatta, hogy a borhoz hasonlóan a levegő és a szilárd részecskék képezik azokat a mikrobákat, amelyek a hővel korábban sterilizált táptalajon növekednek. Nem sokkal azután, 1877-ben, az angol fizikus, John Tyndall megerősítette Pasteur megfigyeléseit, és végső csapást adott a spontán generáció hipotézisére.

A Tyndall bizonyítékot szolgáltatott a baktériumok rendkívül hőálló formáira is. Ferdinand Cohn, a modern mikrobiológia alapítójának tekintett német botanikus, 1872 és 1885 között, önállóan, részletesen leírta a bakteriális endoszpórokat.

Hosszú élet

A legtöbb organizmus időben és térben változó környezetben él. A növekedéshez és szaporodáshoz ideiglenesen alkalmatlan környezeti feltételek fennmaradásának közös stratégiája az, hogy visszafordítható nyugalmi állapotba kerüljön, amelynek során az egyének menedéket élveznek a védőszerkezetekben és minimalizálják energiafelhasználásukat.

Az aktív és latens állapotok közötti átmenet metabolikusan költséges. Ez a beruházás annál nagyobb, ha az egyéneknek meg kell építeniük a saját védőszerkezetüket, legyenek azok külső anyagokból készültek, vagy azokon belül szintetizálódtak. Ezen felül az egyéneknek képesnek kell lenniük reagálni az átmenetet okozó környezeti ingerekre.

A látencia alvó egyének tározóját hozza létre, amely aktiválható, ha a kedvező feltételek újra megjelennek. Ezek a tározók lehetővé teszik a populációk és genetikai sokféleségük megőrzését. Az endoszpóra termelő patogén baktériumok esetében a látencia megkönnyíti azok átvitelét, és megnehezíti azok ellenőrzését.

A bakteriális endospórák életképesek lehetnek évekig. Azt állították, hogy az ősi szubsztrátumokban, például a permagyarakban, a vízi üledékekben, a föld alatti sólerakódásokban vagy az borostyánban megőrzött endoszpórák életképesek lehetnek ezer vagy akár millió évig is.

Megfigyelés

Az endoszpórák helyzetének és egyéb jellemzőinek megjelenítése nagyon hasznos a baktériumfajok azonosításához.

Az endoszpórák fénymikroszkóppal láthatók. Gram vagy metilénkék festésnek alávetett baktériumokban ezeket megkülönböztetik színtelen régiókként a vegetatív baktériumsejtben. Ennek oka az, hogy az endoszpórák falai ellenállnak a szokásos festési reagensek behatolásának.

Kifejlesztettek egy specifikus endospóra-festési módszert, a Schaeffer-Fulton differenciálfestés néven ismertté, amely ezeket jól láthatóvá teszi. Ez a módszer lehetővé teszi mind a bakteriális vegetatív sejt belsejében, mind azon kívül lévők megjelenítését.

A Schaeffer-Fulton módszer azon alapszik, hogy a malachitzöld képes megfesteni az endoszpórák falát. Az anyag felhordása után a szafranint a vegetatív sejtek színezésére használják.

Az eredmény az endoszpórák és a vegetatív sejtek differenciálfestése. Az előbbiek zöld színűek, az utóbbi rózsaszínűek.

Szerkezet

A vegetatív sejtben vagy sporangiumban az endoszpórák terminálisan, subterminálisan vagy központilag helyezkedhetnek el. Ennek a baktériumformanak négy rétege van: medulla, csírafal, kéreg és borítás. Néhány fajban van egy ötödik külső membránréteg, az úgynevezett exosporium, amely lipoproteinből áll, amely szénhidrátokat tartalmaz.

A medulla vagy a központ az endospóra protoplasztja. Ez a kromoszómát, a riboszómákat és a glikolitikus energiát előállító rendszert tartalmazza. Lehet, hogy nincs citokróma, még aerob fajokban sem.

A csírázási energiát 3-foszfo-glicerát tárolja (nincs ATP). Magas koncentrációjú dipikolinsavat tartalmaz (az endoszpóra száraz tömegének 5–15% -a).

A spóra csírafala körülveszi a medullaáris membránt. Tipikus peptidoglikánt tartalmaz, amely a gemináció során a vegetatív sejt sejtfalává válik.

A kéreg az endoszpóra vastagabb rétege. A csírafalát veszi körül. Atipikus peptidoglikánt tartalmaz, kevesebb keresztkötéssel, mint a tipikus, ami nagyon érzékeny a lizozimok általi autolízisre, és a csírázáshoz szükséges.

A bevonat keratinszerű proteinből áll, amely számos intramolekuláris diszulfidkötést tartalmaz. A kéreg körül. Átjárhatatlansága ellenáll a kémiai támadásoknak.

Fiziológia

Úgy tűnik, hogy a dipikolinsav szerepet játszik a késés fenntartásában, a DNS stabilizálásában és a hőállóságban. Kisebb oldódó fehérjék jelenléte ebben a savban telíti a DNS-t, és védi azt a hőtől, kiszáradástól, ultraibolya fénytől és a vegyi anyagoktól.

Az atipikus peptidoglikán szintézise akkor kezdődik, amikor aszimmetrikus septum képződik, amely osztja a vegetatív sejtet. Ily módon a peptidoglikán két rekeszre osztja az őssejtet, amelyben a prepore fejlődik. A peptidoglikán védi az ozmotikus egyensúlyhiánytól.

A kéreg ozmotikusan eltávolítja a vizet a protoplasztból, ellenállóbbá téve a hő- és sugárterhelést.

Az endoszpórák DNS-javító enzimeket tartalmaznak, amelyek a csontvelő aktiválása és az azt követő csírázás során működnek.

sporulázást

Az endospóra kialakulásának folyamatát egy vegetatív baktériumsejtből sporulációnak vagy sporogenezisnek nevezzük.

Az endoszpórák gyakrabban fordulnak elő, amikor bizonyos kritikus tápanyagok hiányban vannak. Előfordulhat endospóratermelés is, amely a kihalás elleni életbiztosítást képviseli, ha bőséges tápanyagok vannak és más környezeti feltételek kedvezőek.

A sporuláció öt fázisból áll:

1) A septum kialakulása (medullary membrán, spóra csírafal). A citoplazma (a jövőbeli medulla) egy részét és a replikált kromoszómát izoláljuk.

2) A spóra csírafal kialakul.

3) A kéreg szintetizálódik.

4) A fedél kialakítva.

5) A vegetatív sejt lebomlik és elpusztul, így felszabadítva az endoszpórát.

Csírázás

A csírázásnak nevezzük azt az eljárást, amelynek során az endospóra vegetatív sejtré alakul. Ezt az endoszpóra borítás enzimatikus lebontása váltja ki, amely lehetővé teszi a csontvelő hidratálódását és az anyagcsere-aktivitás újraindítását.

A csírázás három szakaszból áll:

1) Aktiválás. Ez akkor fordul elő, ha kopás, vegyi anyag vagy hő károsítja a fedelet.

2) Csírázás (vagy iniciáció). Akkor indul, ha a környezeti feltételek kedvezőek. A peptidoglikán lebomlik, a dipikolinsav felszabadul, és a sejt hidratálódik.

3) kitörés. A kéreg lebomlik, és újraindul a bioszintézis és a sejtosztódás.

Patológia

A kórokozó baktériumok endoszpórai súlyos egészségügyi problémát jelentenek, mivel ellenállnak a melegítésnek, fagyásnak, kiszáradásnak és sugárzásnak, amelyek megölik a vegetatív sejteket.

Például néhány endospóra néhány órán keresztül fennmaradhat forrásban lévő vízben (100 ° C). Ezzel szemben a vegetatív sejtek nem ellenállnak a 70 ° C feletti hőmérsékletnek.

A Clostridium és a Bacillus nemzetség egyes endoszpórákat termelő baktériumai kiválogatják azokat a hatékony protein toxinokat, amelyek botulizmust, tetanuszot és antracit okoznak.

Az esettől függően a kezelések magukban foglalják a gyomormosást, a sebtisztítást, az antibiotikumokat vagy az antitoxin-kezelést. A megelőző intézkedések közé tartozik a higiénia, a sterilizálás és az oltás.

konzervmérgezés

Ezt a Clostridium botulinum spóráival való szennyezés okozza. Legnyilvánvalóbb tünete az izombénulás, amelyet halál követhet. Előfordulása alacsony.

A botulizmus három típusa létezik. Az infantiliát a tejhez hozzáadott méz vagy más, levegővel szennyezett adalékanyag lenyelése okozza. A maga részéről az élelmiszert szennyezett (nyers vagy rosszul főzött) ételek (például konzervek) lenyelésével állítják elő. Végül a sérülést a földdel való érintkezés okozza, amely a C. botulinum természetes élőhelye.

Tetanusz

A Clostridium tetani okozza. Tünetei között szerepelnek az izom összehúzódások, amelyek nagyon fájdalmasak (görögül a "tetanusz" azt jelenti, hogy összehúzódnak) és olyan erősek, hogy törött csontokat okozhatnak. Ez gyakran végzetes. Előfordulása alacsony.

A C. tetani fertőző spórái általában egy seb útján jutnak be a testbe, amelyben csíráznak. A növekedés során, amely megköveteli a seb rossz oxigénellátását, a vegetatív sejtek tetanusztoxint termelnek.

A baktériumok és endospóráik gyakoriak a környezetben, beleértve a talajt is. Ezeket találták az emberek és állatok székletében.

Lépfene

A Bacillus anthracis okozza. Tünetei nagyban különböznek a környezettől és a fertőzés helyétől. Ez egy súlyos és gyakran halálos betegség. Előfordulása közepesen magas, járványokat okozva állatokban és emberekben. A 18. században a antracsa megsemmisítette Európa juhokat.

A növényevő emlősök a természetes gazdasejtük. Az emberek megfertőződnek az állatokkal való érintkezés révén (általában foglalkozási jelleggel), vagy állati eredetű termékek kezelése vagy lenyelése révén.

Három anthrax típus létezik:

1) Bőr. A bejegyzést sérülések okozzák. Fehéres, nekrotikus fekélyek alakulnak ki a bőrön.

2) Belélegzéssel. Bejárat légzés közben. Gyulladást és belső vérzést okoz, kómához vezet.

3) Gyomor-bélrendszer. Belépés lenyeléssel. Oropharyngealis fekélyeket, súlyos hasi vérzést és hasmenést okoz.

Az esetek kb. 95% -ában az emberi antrax bőrön van. Kevesebb, mint 1% -ban emésztőrendszerről van szó.

Ellenőrzés

Az endoszpórokat autoklávokban végzett sterilizálás útján elpusztíthatjuk 15 psi nyomás és 115–125 ° C hőmérséklet kombinálásával 7–70 percig. Ezeket a hőmérséklet és a nyomás váltakozó változásaival is el lehet távolítani úgy, hogy a spórák csírázódjanak, majd a keletkező vegetatív baktériumok elpusztuljanak.

A perecetsav az egyik leghatékonyabb kémiai anyag az endoszpórák elpusztításához. A jód tinktúrában (alkoholban oldva) vagy jodoforban (kombinálva egy szerves molekulával) szintén általában halálos az endoszpóra számára.

Az endospórák megsemmisítését a műtéti eszközökben hatékonyan érjük el, ha azokat egy tartályba helyezzük, amelybe plazmát (szabad gyökökben gazdag gerjesztett gázt) indukálunk, amelyre bizonyos kémiai ágensek negatív nyomásnak és elektromágneses mezőnek vannak kitéve.

Az endoszpórák elpusztítását nagy tárgyakban, például matracokban, úgy érhetik el, hogy néhány órán keresztül nem éghető gázzal kombinált etilén-oxidnak vannak kitéve.

Az élelmiszer-feldolgozó iparban klór-dioxidot alkalmaznak vizes oldatban az antrax endoszpórákkal potenciálisan szennyezett területek füstölésére.

A húskészítményekhez hozzáadott nátrium-nitrit és a sajthoz hozzáadott nizin antibiotikum megakadályozza az endoszpóra termelő baktériumok szaporodását.

Biológiai fegyverek és bioterrorizmus

A Bacillus anthracis könnyen termeszthető. Ezért a két világháború alatt biológiai fegyverként szerepeltek Németország, Nagy-Britannia, az Egyesült Államok, Japán és a Szovjetunió arzenáljában.

1937-ben a japán hadsereg antracit használt biológiai fegyverként a mandzsúri kínai civilek ellen. 1979-ben az oroszországi Sverdlovskban legalább 64 ember meghalt a B. anthracis katonai eredetű törzsének véletlenszerű spóra belélegzésével. Japánban és az Egyesült Államokban az antracit terrorista célokra használják.

Ezzel szemben jelenleg próbálnak endoszpóra bevonatot alkalmazni hordozóként a terápiás gyógyszerekhez és a megelőző immunizálás céljából létrehozott antigénekhez.

Irodalom

1. Barton, LL Strukturális és funkcionális kapcsolatok prokariótákban. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Mikrobiológia: alapelvek és kutatások. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Orvosi mikrobiológia. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, A bakteriális spórák újjáéledése és azonosítása 25–40 millió éves Dominikai Borostyánban. Science 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bakteriális spórák oltóanyagként. Fertőzés és immunitás, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulizmus. Infobase Publishing, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, New York.
8. Johnson, SS et al. 2007. Az ősi baktériumok bizonyítják a DNS javulását. Az USA Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratai, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: az ókorból és az obstruktúrából a bioterrorizmus egyik első helyezettjéig. Észak-Amerika fertőző betegségek klinikái, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Kíváncsian modern DNS egy "250 millió éves" baktérium számára. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Mikrobiológia. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. A tó üledékeiben fekvő alvó baktériumok paleoökológiai mutatókként. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Cutting. 2003. A bakteriális spórák feltörekvő alkalmazása a nanobiotechnológiában. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Anthrax Európában: járványtana, klinikai tulajdonságai és szerepe a bioterrorizmusban. Clinical Microbiology and Infection, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Evolution with seed bank: a populáció genetikai következményei a mikrobiális nyugalmi állapotban. Evolutionary Applications, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Alapjai a mikrobiológiában. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Mikrobiológia: bevezetés. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. 250 millió éves halotolerancia baktérium izolálása egy primer sókristályból. Nature 407, 897-900.