Jump to content

Эндоспора

(Перенаправлено с Бактериальные споры )
Окраска эндоспор клетки Bacillus subtilis, показывающая эндоспоры зеленым цветом, а вегетативные клетки - красными.
Фазово-яркие эндоспоры Paenibacillus alvei, полученные с помощью фазово-контрастной микроскопии

Эндоспора некоторыми — это спящая , жесткая и нерепродуктивная структура, вырабатываемая бактериями типа Bacillota . [ 1 ] [ 2 ] Название «эндоспора» наводит на мысль о форме споры или семени ( эндо означает «внутри»), но это не настоящая спора (т. е. не потомство). Это урезанная, спящая форма, до которой бактерия может редуцироваться. Образование эндоспор обычно провоцируется недостатком питательных веществ и обычно происходит у грамположительных бактерий . При образовании эндоспор бактерия делится внутри своей клеточной стенки, и одна сторона затем поглощает другую. [ 3 ] Эндоспоры позволяют бактериям находиться в состоянии покоя 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 могут возродиться. Есть одно сообщение о жизнеспособных спорах Bacillus marismortui в кристаллах соли возрастом около 25 миллионов лет. [ 4 ] [ 5 ] Когда окружающая среда становится более благоприятной, эндоспора может вновь активироваться и перейти в вегетативное состояние. Большинство видов бактерий не могут перейти в форму эндоспор. Примеры видов бактерий , которые могут образовывать эндоспоры, включают Bacillus cereus , Bacillus anthracis , Bacillus thuringiensis , Clostridium botulinum и Clostridium tetani . [ 6 ] не обнаружено Образование эндоспор у архей . [ 7 ]

бактерии Эндоспора состоит из ДНК , рибосом и большого количества дипиколиновой кислоты . Дипиколиновая кислота — это спороспецифическое химическое вещество, которое, по-видимому, помогает эндоспорам сохранять способность к покою. Это химическое вещество составляет до 10% сухого веса спор. [ 3 ]

Эндоспоры могут выжить без питательных веществ. Они устойчивы к ультрафиолетовому излучению , высыханию , высокой температуре, сильному замораживанию и химическим дезинфицирующим средствам . Впервые гипотеза о термоустойчивых эндоспорах была выдвинута Фердинандом Коном после изучения роста Bacillus subtilis на сыре после его кипячения. Его идея о том, что споры являются репродуктивным механизмом роста, нанесла серьезный удар по предыдущим предположениям о спонтанном зарождении. Астрофизик Стейнн Сигурдссон сказал: «На Земле были обнаружены жизнеспособные бактериальные споры возрастом 40 миллионов лет, и мы знаем, что они очень устойчивы к радиации». [ 8 ] Обычные антибактериальные средства, разрушающие стенки вегетативных клеток, не влияют на эндоспоры. Эндоспоры обычно встречаются 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 на сегодняшний день являются наиболее устойчивыми к суровым условиям. [ 3 ]

Некоторые классы бактерий могут превращаться в экзоспоры, также известные как микробные кисты , вместо эндоспор. Экзоспоры и эндоспоры — это два вида «спящих» или спящих стадий, наблюдаемые у некоторых классов микроорганизмов.

Формирование эндоспоры в процессе споруляции.

Жизненный цикл бактерий

[ редактировать ]

Жизненный цикл бактерий не обязательно включает споруляцию. Спорообразование обычно вызывается неблагоприятными условиями окружающей среды, чтобы способствовать выживанию бактерии. Эндоспоры не проявляют признаков жизни и поэтому могут быть описаны как криптобиотики . могут прорастать в вегетативные клетки Эндоспоры сохраняют жизнеспособность неопределенно долго и при соответствующих условиях . Эндоспоры живут тысячи лет, пока стимулы окружающей среды не вызовут их прорастание. Их характеризуют как самые прочные клетки, созданные в природе. [ 9 ]

Структура

[ редактировать ]
Вариации морфологии эндоспор: 1, 4 – центральная эндоспора; 2, 3, 5 – терминальная эндоспора; (6) латеральная эндоспора

Бактерии производят внутри одну эндоспору. Спора иногда окружена тонкой оболочкой, известной как экзоспорий , которая покрывает споровую оболочку . Оболочка спор, действующая как сито , не пропускающая крупные токсичные молекулы, такие как лизоцим , устойчива ко многим токсичным молекулам и может также содержать ферменты , участвующие в прорастании . По оценкам, в эндоспорах Bacillus subtilus оболочка спор содержит более 70 белков оболочки, которые организованы в внутренний и внешний слой оболочки. [ 10 ] Рентгенограмма очищенных эндоспор B. subtilis указывает на присутствие компонента с регулярной периодической структурой, который, как предположили Кадота и Иидзима, может образовываться из кератиноподобного белка. [ 11 ] Однако после дальнейших исследований эта группа пришла к выводу, что структура белка оболочки спор отличается от кератина. [ 12 ] При B. subtilis не было обнаружено ортолога кератина человека. секвенировании генома [ 13 ] Кора . под оболочкой спор и состоит из пептидогликана лежит Стенка ядра лежит под корой и окружает протопласт или ядро ​​эндоспоры. Ядро содержит хромосомную ДНК споры, которая заключена в хроматин -подобные белки, известные как SASP (маленькие 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% сухой массы эндоспоры состоит из кальция дипиколината в ядре, который, как полагают, 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 устойчивости к нагреванию. [ 14 ] Малые кислоторастворимые белки (SASP) обнаружены в эндоспорах. Эти белки прочно 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. специальная техника морилки, называемая морилкой Мёллера Для борьбы с этим используется . Это позволяет эндоспоре выглядеть красной, а остальная часть клетки окрашивается в синий цвет. Другой метод окрашивания эндоспор — окрашивание Шеффера-Фултона , при котором эндоспоры окрашиваются в зеленый цвет, а тела бактерий в красный цвет. Расположение споровых слоев следующее:

  • Экзоспорий
  • Споровая оболочка
  • Споровая кора
  • Основная стена

Расположение

[ редактировать ]

Положение эндоспоры различается 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 те, что находятся между этими двумя крайностями, обычно они видны достаточно далеко от полюсов, но достаточно близко к центру, чтобы их не считали ни терминальными, ни центральными. Иногда встречаются боковые эндоспоры.

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

Формирование и разрушение

[ редактировать ]
Образование и цикл эндоспор

В условиях голодания, особенно при недостатке источников углерода и азота, внутри некоторых бактерий образуется одна эндоспора в результате процесса, называемого споруляцией. [ 15 ]

Когда бактерия обнаруживает, что условия окружающей среды становятся неблагоприятными, она может начать процесс эндоспоруляции, который занимает около восьми часов. ДНК реплицируется, и мембранная стенка, известная как споровая перегородка между ней и остальной частью клетки начинает формироваться . Плазматическая мембрана клетки окружает эту стенку и отщипывается, образуя двойную мембрану вокруг ДНК, и развивающаяся структура теперь известна как предспора. Дипиколинат кальция, кальциевая соль дипиколиновой кислоты, в это время включается в проспору. Дипиколиновая кислота помогает стабилизировать белки и ДНК в эндоспоре. [ 16 ] : 141  Затем между двумя слоями образуется кора пептидогликана, и бактерия добавляет оболочку спор на внешнюю сторону предспоры. На заключительных стадиях образования эндоспор вновь образующаяся эндоспора обезвоживается и ей дают возможность созреть, прежде чем она высвободится из материнской клетки. [ 3 ] Именно кора делает эндоспору такой устойчивой к температуре. Кора содержит внутреннюю мембрану, известную как ядро. Внутренняя мембрана, окружающая это ядро, обеспечивает устойчивость эндоспоры к ультрафиолетовому излучению и агрессивным химическим веществам, которые обычно уничтожают микробы. [ 3 ] Спорообразование завершено, 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 (голодом) в окружающей среде; Эндоспоруляция инициируется ощущением кворума среди «голодающей» популяции. [ 16 ] : 141  Большинство дезинфицирующих средств, таких как бытовые чистящие средства, спирты , соединения четвертичного аммония и моющие средства, мало влияют на эндоспоры. Однако стерилизующие алкилирующие агенты, такие как оксид этилена (ETO) и 10% отбеливатель, эффективны против эндоспор. Чтобы убить большинство спор сибирской язвы , стандартный бытовой отбеливатель (с 10% гипохлоритом натрия ) должен находиться в контакте со спорами в течение как минимум нескольких минут; очень небольшая часть спор может выжить в таком растворе более 10 минут. [ 17 ] Более высокие концентрации отбеливателя не более эффективны и могут привести к агрегации некоторых типов бактерий и, таким образом, к выживанию.

Несмотря на значительную устойчивость к теплу и радиации, эндоспоры могут быть уничтожены путем сжигания или автоклавирования при температуре, превышающей точку кипения воды, 100 ° C. Эндоспоры способны выживать при температуре 100 °C в течение нескольких часов, хотя чем больше часов, тем меньше из них выживет. Косвенный способ уничтожить их — поместить в среду, которая возвращает их в вегетативное состояние. При правильных условиях окружающей среды они прорастут в течение дня или двух, а затем вегетативные клетки, не такие выносливые, как эндоспоры, могут быть прямо уничтожены. Этот косвенный метод называется Тиндаллизацией . Некоторое время это был обычный метод в конце 19 века, до появления недорогих автоклавов. Длительное воздействие ионизирующего излучения , такого 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, вырастет ли из нее что-нибудь. Если ничего не вырастет, значит, споры уничтожены и стерилизация прошла успешно. [ 18 ]

В больницах эндоспоры на деликатных инвазивных инструментах, таких как эндоскопы, уничтожаются с помощью низкотемпературных и неагрессивных стерилизаторов на основе оксида этилена. Оксид этилена является единственным низкотемпературным стерилизатором, предотвращающим вспышки инфекций на этих инструментах. [ 19 ] Напротив, «дезинфекция высокого уровня» не убивает эндоспоры, но используется для таких инструментов, как колоноскоп, которые не входят 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 высыхание. Считается, что непроницаемость оболочки спор отвечает за устойчивость эндоспор к химическим веществам. Теплоустойчивость эндоспор обусловлена ​​множеством факторов:

  • Дипиколинат кальция, содержащийся в эндоспоре, может стабилизировать и защитить ДНК эндоспоры.
  • Малые кислоторастворимые белки (SASP) насыщают ДНК эндоспоры и защищают ее от тепла, высыхания, химикатов и радиации. Они также действуют как источник углерода и энергии для развития вегетативной бактерии во время прорастания.
  • Кора может осмотически удалять воду из внутренней части эндоспоры, и возникающее в результате обезвоживание считается очень важным для устойчивости эндоспоры к теплу и радиации.
  • Наконец, ферменты репарации ДНК, содержащиеся в эндоспоре, способны восстанавливать поврежденную ДНК во время прорастания.

Реактивация

[ редактировать ]

Реактивация эндоспоры происходит при более благоприятных условиях и включает активацию , прорастание и рост . Даже если эндоспора находится в изобилии питательных веществ, она может не прорасти, пока не произойдет активация. Это может быть вызвано нагреванием эндоспоры. Прорастание включает в себя спящую эндоспору, которая начинает метаболическую активность и тем самым прерывает спячку. Обычно он характеризуется разрывом или рассасыванием оболочки спор, набуханием эндоспоры, увеличением метаболической активности и потерей устойчивости к стрессу окружающей среды.

Рост следует за прорастанием и включает в себя ядро ​​эндоспоры, производящее новые химические компоненты и выходящее из старой споровой оболочки, чтобы развиться в полнофункциональную вегетативную бактериальную клетку, которая может делиться, производя больше клеток.

Эндоспоры содержат в пять раз больше серы, чем вегетативные клетки. Эта избыток серы концентрируется в оболочках спор в виде аминокислоты цистеина . Считается, что макромолекула, ответственная за поддержание состояния покоя, имеет белковую оболочку, богатую цистином, стабилизированную SS-связями. Сокращение этих связей потенциально может изменить третичную структуру, заставляя белок разворачиваться. Считается, что это конформационное изменение в белке ответственно за обнажение активных ферментативных центров, необходимых для прорастания эндоспор. [ 20 ]

Эндоспоры могут оставаться в состоянии покоя очень долгое время. Например, эндоспоры были найдены в гробницах египетских фараонов. Помещенные в соответствующую среду и в соответствующих условиях, они смогли реактивироваться. В 1995 году Рауль Кано из Калифорнийского политехнического государственного университета обнаружил споры бактерий в кишечнике окаменевшей пчелы, застрявшей в янтаре с дерева в Доминиканской Республике . Возраст пчелы, окаменелой в янтаре, составил около 25 миллионов лет. Споры прорастали, когда янтарь раскалывали и материал из кишечника пчелы извлекали и помещали в питательную среду. После того, как споры были проанализированы с помощью микроскопа, было установлено, что клетки очень похожи на клетки Lysinibacillus sphaericus , которые сегодня обнаруживаются у пчел в Доминиканской Республике. [ 16 ]

Важность

[ редактировать ]

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

Эндоспоры бактерии Bacillus anthracis использовались при атаках сибирской язвы в 2001 году . Порошок, обнаруженный в зараженных почтовых письмах, состоял из эндоспор сибирской язвы. Такое преднамеренное распространение привело к 22 известным случаям сибирской язвы (11 ингаляционных и 11 кожных). Летальность среди больных ингаляционной формой сибирской язвы составила 45% (5/11). Шесть других человек с ингаляционной формой сибирской язвы и все люди с кожной формой сибирской язвы выздоровели. Если бы не антибиотикотерапия, многие могли бы заболеть. [ 16 ]

Согласно ветеринарным документам ВОЗ, B. anthracis образует споры, когда видит кислород вместо углекислого газа, присутствующего в крови млекопитающих; это сигнализирует бактериям о том, что животное достигло конца, и полезна неактивная диспергируемая морфология.

Спорообразование требует присутствия свободного кислорода. В естественной ситуации это означает, что вегетативные циклы происходят в среде с низким содержанием кислорода инфицированного хозяина, и внутри хозяина организм находится исключительно в вегетативной форме. После выхода за пределы хозяина спорообразование начинается при контакте с воздухом, и споровые формы, по сути, являются единственной фазой существования в окружающей среде. [ 21 ] [ 22 ]

Биотехнология

[ редактировать ]

Споры Bacillus subtilis полезны для экспрессии рекомбинантных белков и, в частности, для поверхностного отображения пептидов и белков в качестве инструмента фундаментальных и прикладных исследований в области микробиологии, биотехнологии и вакцинации. [ 23 ]

Эндоспорообразующие бактерии

[ редактировать ]

Примеры бактерий, образующих эндоспоры, включают роды:

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Мюррей, Патрик Р.; Эллен Джо Бэрон (2003). Руководство по клинической микробиологии . Том. 1. Вашингтон, округ Колумбия: АНМ.
  2. ^ К. Майкл Хоган (2010). «Бактерии» . В Сидни Драггане; Си Джей Кливленд (ред.). Энциклопедия Земли . Вашингтон, округ Колумбия: Национальный совет по науке и окружающей среде. Архивировано из оригинала 11 мая 2011 г.
  3. ^ Перейти обратно: а б с д и ж «Бактериальные эндоспоры» . Колледж сельского хозяйства и наук о жизни Корнеллского университета, факультет микробиологии. Архивировано из оригинала 15 июня 2018 года . Проверено 21 октября 2018 г.
  4. ^ Кано, Р.Дж.; Боруки, МК (1995). «Возрождение и идентификация бактериальных спор в доминиканском янтаре возрастом от 25 до 40 миллионов лет». Наука . 268 (5213): 1060–1064. Бибкод : 1995Sci...268.1060C . дои : 10.1126/science.7538699 . ПМИД   7538699 .
  5. ^ Ринго, Джон (2004). «Размножение бактерий». Фундаментальная генетика . стр. 153–160. дои : 10.1017/CBO9780511807022.018 . ISBN  9780511807022 .
  6. ^ «эндоспора» в Медицинском словаре Дорланда.
  7. ^ Мэдиган, Майкл Т.; Бендер, Келли С.; Бакли, Дэниел Х.; Сэттли, У. Мэтью; Шталь, Дэвид А. (2018). «Структура и функция микробной клетки». Брок Биология микроорганизмов . п. 92. ИСБН  9781292235103 .
  8. ^ Сотрудники BBC (23 августа 2011 г.). «Воздействие, скорее всего, привело к распространению жизни с Земли» . Би-би-си . Архивировано из оригинала 24 августа 2011 года . Проверено 24 августа 2011 г.
  9. ^ Детч, Р.Н.; Кук, ТМ (1973). Введение в бактерии и их экобиологию . дои : 10.1007/978-94-015-1135-3 . ISBN  978-94-015-1137-7 . S2CID   46703605 .
  10. ^ Энрикес А.О., Моран С.П. младший (2007). «Структура, сборка и функции поверхностных слоев спор». Анну Рев Микробиол . 61 : 555–588. дои : 10.1146/annurev.micro.61.080706.093224 . ПМИД   18035610 .
  11. ^ Кадота Х, Иидзима К (1965). «Рентгенограмма спор Bacillus subtilis ». Сельскохозяйственная биол. хим . 29 (1): 80–81. дои : 10.1080/00021369.1965.10858352 .
  12. ^ Хираги Ю., Иидзима К. и Кадота Х. (1967). «Шестиугольный монокристаллический узор из споровой оболочки Bacillus subtilis ». Природа . 215 (5097): 154–5. Бибкод : 1967Natur.215..154H . дои : 10.1038/215154a0 . ПМИД   4963432 . S2CID   4160084 .
  13. ^ Кунст Ф. и др. (1997). «Полная последовательность генома грамположительной бактерии Bacillus subtilis » . Природа . 390 (6657): 249–56. Бибкод : 1997Natur.390..249K . дои : 10.1038/36786 . ПМИД   9384377 .
  14. ^ Прескотт, Л. (1993). Микробиология , Wm. Издательство К. Браун, ISBN   0-697-01372-3 .
  15. ^ «2.4E: Эндоспоры» . Свободные тексты по биологии . 2016-03-02 . Проверено 30 декабря 2019 г.
  16. ^ Перейти обратно: а б с д Поммервилль, Джеффри К. (2014). Основы микробиологии (10-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Jones & Bartlett Learning. ISBN  978-1449688615 .
  17. ^ Хенингер, Сара; Кристин А. Андерсон; Джеральд Бельц; 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 . ПМЦ   2957119 . ПМИД   20967138 .
  18. ^ «Автоклав» . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 18 июня 2016 г.
  19. ^ «Стерилизация оксидом этилена | Рекомендации по дезинфекции и стерилизации | Библиотека руководств | Инфекционный контроль | CDC» . www.cdc.gov . 4 апреля 2019 года. Архивировано из оригинала 17 ноября 2019 года . Проверено 11 октября 2019 г.
  20. ^ Кейнан, А.; Эвенчик З.; Халворсон, ХО; Гастингс, JW (1964). «Активация бактериальных эндоспор» . Журнал бактериологии . 88 (2): 313–318. дои : 10.1128/JB.88.2.313-318.1964 . ПМЦ   277301 . ПМИД   14203345 .
  21. ^ Сибирская язва у людей и животных (PDF) (4-е изд.). МЭБ. 2008. ISBN  978-92-4-154753-6 . Архивировано (PDF) из оригинала 23 октября 2012 г. Проверено 22 августа 2013 г.
  22. ^ «Болезни, внесенные в список МЭБ, и другие важные болезни» (PDF) . Земное руководство . 2012. Архивировано из оригинала (PDF) 12 августа 2016 года . Проверено 18 июня 2016 г.
  23. ^ Абель-Сантос, Э, изд. (2012). Бактериальные споры: текущие исследования и применение . Кайстер Академик Пресс . ISBN  978-1-908230-00-3 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ce1eb5abcb755b3119785efca4527e4c__1721379240
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ce/4c/ce1eb5abcb755b3119785efca4527e4c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Endospore - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)