ENDOSPORER: EGENSKAPER, STRUKTUR, FORMASJON, FUNKSJONER - BIOLOGI - 2026

De endosporer er former for overlevelse av visse bakterier, og består av hvilende celler og dehydrert belagte beskyttende lag, som viser ekstrem resistens mot kjemisk og fysisk stress. De er i stand til å vare på ubestemt tid i fravær av næringsstoffer. De dannes inne i bakterier.

Endosporer er de mest resistente levende strukturer som er kjent. De kan overleve høye temperaturer, ultrafiolett lys, gammastråling, uttørking, osmose, kjemiske stoffer og enzymatisk hydrolyse.

Kilde: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Når miljøforholdene bestemmer det, spirer endosporene og gir opphav til aktive bakterier som fôrer og formerer seg.

Endosporer er en type spore. Det er sopp, protosoer, alger og planter som produserer sine egne typer. Endosporer mangler reproduksjonsfunksjon: hver bakteriecelle produserer bare en. I andre organismer kan de tvert imot ha en reproduktiv funksjon.

Historie

På midten av 1600-tallet var den nederlandske tøyhandleren og pioneren innen mikrobiologi Antonie van Leeuwenhoek ved hjelp av geniale mikroskop designet og laget av ham selv, den første til å observere levende mikroorganismer, inkludert protosoer, alger, gjær, sopp og bakterier.

I 1859 sponset det franske vitenskapsakademiet en konkurranse der den franske kjemikeren Louis Pasteur deltok. Målet var å belyse et eksperiment om "spontan generasjon", en gammel hypotese som foreslo at livet kan oppstå fra "vitale krefter" eller "overførbare stoffer" som er til stede i ikke-levende eller nedbrytende materie.

Pasteur viste at, som for vin, er luft og faste partikler kilden til mikrober som vokser i kulturbuljonger som tidligere var sterilisert med varme. Rett etter, i 1877, bekreftet den engelske fysikeren John Tyndall Pasteurs observasjoner, og satte det siste slag for hypotesen om spontan generasjon.

Tyndall ga også bevis for ekstremt varmebestandige former for bakterier. Mellom 1872 og 1885 beskrev den tyske botanikeren Ferdinand Cohn, som ble ansett som grunnleggeren av moderne mikrobiologi, bakterielle endosporer i detalj.

Longevity

De fleste organismer lever i miljøer som varierer i tid og rom. En vanlig strategi for å overleve miljøforhold som er midlertidig uegnet for vekst og reproduksjon, er å komme inn i en tilstand av reversibel sovende, der individer søker tilflukt i beskyttende strukturer og minimerer energiforbruket.

Overgangen mellom aktive og latente tilstander er metabolsk kostbar. Denne investeringen er større når individer må bygge sine egne beskyttende strukturer, enten de er sammensatt av eksogene materialer eller biosyntes i. I tillegg må enkeltpersoner kunne svare på miljøstimuli som forårsaker overgangen.

Latency genererer et reservoar av sovende individer som kan aktiveres når gunstige forhold dukker opp igjen. Disse reservoarene tillater bevaring av populasjoner og deres genetiske mangfold. Når det gjelder endosporeproduserende patogene bakterier, letter latens overføringen og vanskeliggjør kontrollen av dem.

Bakterielle endosporer kan forbli levedyktige i mange år. Det er blitt hevdet at endosporer som er bevart i gamle underlag, som permafrost, akvatiske sedimenter, underjordiske saltforekomster eller rav, kan forbli levedyktige i tusenvis og til og med millioner av år.

observasjon

Visualisering av posisjonen og andre egenskaper ved endosporene er veldig nyttig for identifisering av arter av bakterier.

Endosporer kan sees ved hjelp av et lysmikroskop. Hos bakterier som er utsatt for Gram- eller metylenblå farging, blir disse utmerket som fargeløse regioner i den vegetative bakteriecellen. Dette fordi veggene i endosporene er motstandsdyktige mot penetrering av vanlige fargeagenser.

En spesifikk fargningsmetode for endosporer, kjent som Schaeffer-Fulton differensialfarge, er utviklet som gjør dem tydelig synlige. Denne metoden gjør det mulig å visualisere både de som er inne i den vegetative vegetative cellen og de som er utenfor den.

Schaeffer-Fulton-metoden er basert på evnen til malakittgrønn å flekke veggen i endosporer. Etter påføring av dette stoffet brukes safranin til å fargelegge de vegetative cellene.

Resultatet er en forskjellig farging av endosporer og vegetative celler. Førstnevnte får en grønn farge og sistnevnte en rosa farge.

Struktur

Innenfor den vegetative cellen, eller sporangium, kan endosporene være terminal, subterminal eller sentralt. Denne bakterieformen har fire lag: medulla, kimvegg, cortex og dekke. Hos noen arter er det et femte ytre, membranøse lag som kalles exosporium, sammensatt av lipoprotein som inneholder karbohydrater.

Medulla eller sentrum er protoplasten til endosporen. Den inneholder kromosom, ribosomer og et glykolytisk energegenererende system. Det har kanskje ikke cytokromer, selv ikke i aerobe arter.

Energien for spiring lagres i 3-fosfoglyserat (det er ingen ATP). Den har en høy konsentrasjon av dipicolinsyre (5-15% av tørrvekten av endosporen).

Sporeveggen i sporen omgir den medullære membranen. Den inneholder typisk peptidoglycan, som under geminering blir celleveggen til den vegetative cellen.

Barken er det tykkeste laget av endosporen. Omgir kimeveggen. Den inneholder atypisk peptidoglykan, med færre tverrbindinger enn den typiske, noe som gjør den veldig følsom for autolyse av lysozym, nødvendig for spiring.

Pelsen er sammensatt av et keratinlignende protein som inneholder mange intramolekylære disulfidbindinger. Omgir cortex. Dets impermeabilitet gir motstand mot kjemiske angrep.

fysiologi

Dipikolinsyre ser ut til å ha en rolle i latensvedlikehold, DNA-stabilisering og varmebestandighet. Tilstedeværelsen av små oppløselige proteiner i denne syren metter DNAet og beskytter det mot varme, uttørking, ultrafiolett lys og kjemikalier.

Syntesen av den atypiske peptidoglykanen begynner når det dannes et asymmetrisk septum som deler den vegetative cellen. På denne måten deler peptidoglycan stamcellen der presporen vil utvikle seg til to rom. Peptidoglycan beskytter den mot osmotiske ubalanser.

Barken fjerner osmotisk vann fra protoplasten, noe som gjør det mer motstandsdyktig mot varme- og strålingsskader.

Endosporer inneholder DNA-reparasjonsenzymer, som virker under aktiveringen av margen og påfølgende spiring.

sporulation

Prosessen med å danne en endospore fra en vegetativ bakteriecelle kalles sporulering eller sporogenese.

Endosporer forekommer oftere når det er mangel på viktige viktige næringsstoffer. Det kan også være endosporeproduksjon, som representerer livsforsikring mot utryddelse, når næringsstoffer er rikelig og andre miljøforhold er gunstige.

Sporulering består av fem faser:

1) Dannelse av septum (medullær membran, spiremur av sporen). En del av cytoplasma (fremtidig medulla) og et replikert kromosom blir isolert.

2) Sporeveggen i sporen utvikler seg.

3) Barken er syntetisert.

4) Dekselet er dannet.

5) Den vegetative cellen brytes ned og dør, og frigjør dermed endosporen.

spiring

Prosessen der en endospore forvandles til en vegetativ celle kalles spiring. Dette utløses av enzymatisk nedbrytning av endosporoverdekningen, som tillater hydrering av marg og omstart av metabolsk aktivitet.

Spiring består av tre faser:

1) Aktivering. Det oppstår når slitasje, et kjemisk middel eller varmeskader dekselet.

2) Spiring (eller initiering). Det starter hvis miljøforholdene er gunstige. Peptidoglycan brytes ned, dipicolinsyre frigjøres, og cellen hydratiseres.

3) Utbrudd. Barken blir nedbrutt og biosyntese og celledeling starter på nytt.

Patologi

Endosporene av sykdomsfremkallende bakterier er et alvorlig helseproblem på grunn av deres motstand mot oppvarming, frysing, dehydrering og stråling, som dreper vegetative celler.

Noen endosporer kan for eksempel overleve i flere timer i kokende vann (100 ° C). Derimot motstår vegetative celler ikke temperaturer over 70 ° C.

Visse endosporeproduserende bakterier av slekten Clostridium og Bacillus skiller ut potente proteintoksiner som forårsaker botulisme, stivkrampe og miltbrann.

Avhengig av tilfellet inkluderer behandlinger mageskylling, sårrensing, antibiotika eller antitoksinbehandling. Forebyggende tiltak inkluderer hygiene, sterilisering og vaksinasjon.

botulisme

Det er forårsaket av forurensning med sporer av Clostridium botulinum. Det mest åpenbare symptomet er lammelse av muskler, som kan følges av døden. Forekomsten er lav.

Det er tre typer botulisme. Spedbarnet skyldes inntak av honning eller andre tilsetningsstoffer, forurenset av luft, som er tilsatt melken. På sin side produseres mat ved inntak av forurenset mat (for eksempel hermetikk), rå eller dårlig tilberedt. Til slutt produseres skader ved kontakt med bakken, som er det naturlige habitatet for C. botulinum.

stivkrampe

Det er forårsaket av Clostridium tetani. Symptomene inkluderer muskelkontraksjoner som er veldig smertefulle (på gresk betyr ordet "stivkrampe" å trekke seg sammen) og så sterke at de kan forårsake ødelagte bein. Det er ofte dødelig. Forekomsten er lav.

Infeksjonssporer av C. tetani kommer vanligvis inn i kroppen gjennom et sår, der de spirer. Under vekst, som krever at såret er dårlig oksygenert, produserer de vegetative cellene stivkrampetoksin.

Bakteriene og endosporene er vanlige i miljøet, inkludert jord. De er funnet i avføring hos mennesker og dyr.

Anthrax

Det er forårsaket av Bacillus anthracis. Symptomene varierer veldig avhengig av miljøet og infeksjonsstedet. Det er en alvorlig og ofte dødelig sykdom. Forekomsten er moderat høy og gir epidemier hos dyr og mennesker. På 1700-tallet desimrakserte miltbrann Europas sauer.

Herbivorous pattedyr er dens naturlige vert. Mennesker blir smittet ved kontakt (vanligvis yrkesmessig) med dyr, eller ved håndtering eller svelging av animalske produkter.

Det er tre typer miltbrann:

1) Kutan. Oppføringen er produsert av skader. Det dannes sorte, nekrotiske magesår på huden.

2) Ved innånding. Inngang under pust. Det produserer betennelse og indre blødninger og fører til koma.

3) Gastrointestinal. Inngang ved svelging. Det forårsaker magesår i oropharyngeal, alvorlig mageblødning og diaré.

I omtrent 95% av tilfellene er menneskelig miltbrann hud. Hos under 1% er det gastrointestinal.

Styre

Endosporer kan ødelegges ved sterilisering i autoklaver, ved å kombinere trykk på 15 psi og temperaturer på 115–125 ° C i 7–70 minutter. De kan også elimineres ved vekslende endringer i temperatur og trykk, slik at det blir spiring av sporer etterfulgt av død av de resulterende vegetative bakteriene.

Pereddiksyre er et av de mest effektive kjemiske midlene for å ødelegge endosporer. Jod, i skjær (oppløst i alkohol) eller jodofor (kombinert med et organisk molekyl) er også vanligvis dødelig for endosporer.

Ødeleggelsen av endosporer i kirurgiske instrumenter oppnås effektivt ved å føre dem inn i en beholder som en plasma (eksitert gass rik på frie radikaler) induseres i, som visse kjemiske midler blir utsatt for undertrykk og et elektromagnetisk felt.

Ødeleggelsen av endosporer i store gjenstander, som madrasser, oppnås ved å utsette dem i flere timer for etylenoksyd kombinert med en ikke-brennbar gass.

Næringsmiddelindustrien bruker klordioksid i vandig løsning for å rense områder som potensielt er forurenset med miltbrann endosporer.

Natriumnitritt tilsatt kjøttprodukter, og antibiotikum nisin tilsatt ost, forhindrer vekst av endosporeproduserende bakterier.

Biologiske våpen og bioterrorisme

Bacillus anthracis er enkel å dyrke. Av denne grunn ble det under de to verdenskriger inkludert som et biologisk våpen i arsenaler i Tyskland, Storbritannia, USA, Japan og Sovjetunionen.

I 1937 brukte den japanske hæren miltbrann som et biologisk våpen mot kinesiske sivile i Manchuria. I 1979 døde minst 64 personer i Sverdlovsk, Russland, ved innånding av sporer fra en militær-avledet stamme av B. anthracis. I Japan og USA er miltbrann blitt brukt til terrorformål.

Derimot blir det for tiden forsøkt å bruke endosporbelegg som et middel for terapeutiske medisiner og for antigener som er laget for forebyggende immuniseringsformål.

referanser

1. Barton, LL Strukturelle og funksjonelle forhold i prokaryoter. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Mikrobiologi: prinsipper og utforskninger. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Medisinsk mikrobiologi. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Vekkelse og identifisering av bakteriesporer i 25-40 millioner år gammel Dominikansk rav. Vitenskap 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bakteriesporer som vaksinekjøretøy. Infeksjon og immunitet, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulisme. Infobase Publishing, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Stivkrampe. Infobase Publishing, New York.
8. Johnson, SS et al. 2007. Gamle bakterier viser bevis på DNA-reparasjon. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Miltsbrand: fra antikken og uklarhet til en frontløper innen bioterrorisme. Infeksjonssykdommer i Nord-Amerika, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Merkelig moderne DNA for en "250 millioner år gammel" bakterie. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Mikrobiologi. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Sovende bakterier i sjøsedimenter som paleoekologiske indikatorer. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Cutting. 2003. Fremvoksende anvendelser av bakteriesporer i nanobiotechnology. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Miltsbrand i Europa: dets epidemiologi, kliniske egenskaper og rolle i bioterrorisme. Clinical Microbiology and Infection, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Evolusjon med en frøbank: befolkningens genetiske konsekvenser av mikrobiell søvn. Evolusjonære applikasjoner, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Grunnlag i mikrobiologi. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Mikrobiologi: en introduksjon. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Isolering av 250 millioner år gammel halotolerant bakterie fra en primær saltkrystall. Naturen 407, 897-900.