ENDOSPORAS: RAKSTUROJUMS, STRUKTŪRA, VEIDOJUMS, FUNKCIJAS - BIOLOĢIJA - 2025

The endosporas ir formas, izdzīvošanas atsevišķu baktēriju, sastāv no neaktivizētām šūnu un dehidrēti pārklāta aizsardzības slāņus, parādot galējo izturību pret ķīmisko un fizisko stresu. Viņi spēj izturēt bezgalīgi, ja nav barības vielu. Tie veidojas baktēriju iekšienē.

Endosporas ir visizturīgākās zināmās dzīvās struktūras. Viņi var izturēt augstu temperatūru, ultravioleto gaismu, gamma starojumu, izžūšanu, osmozi, ķīmiskos līdzekļus un fermentatīvo hidrolīzi.

Avots: Dartmutas elektronmikroskopa iekārta, Dartmutas koledža

Kad vides apstākļi to nosaka, endosporas dīgst, veidojot aktīvās baktērijas, kas barojas un vairojas.

Endosporas ir sporu veids. Ir sēnes, vienšūņi, aļģes un augi, kas ražo savus veidus. Endosporām trūkst reproduktīvās funkcijas: katra baktēriju šūna rada tikai vienu. Citos organismos, gluži pretēji, tiem var būt reproduktīvā funkcija.

Vēsture

17. gadsimta vidū holandiešu audumu tirgotājs un mikrobioloģijas pionieris Antonijs van Lēvenhoeks (Antonie van Leeuwenhoek), izmantojot ģeniālos mikroskopus, ko pats izstrādāja un izgatavoja, bija pirmais, kurš novēroja dzīvos mikroorganismus, ieskaitot vienšūņus, aļģes, raugus, sēnītes un baktērijas.

1859. gadā Francijas Zinātņu akadēmija sponsorēja konkursu, kurā piedalījās franču ķīmiķis Luiss Pasteurs. Mērķis bija atklāt gaismu, izmantojot eksperimentu par "spontānu paaudzi", senu hipotēzi, kas ierosināja, ka dzīvība var rasties no "dzīvībai svarīgiem spēkiem" vai "pārnēsājamām vielām", kas atrodas nedzīvo vai sadalās vielā.

Pasteur parādīja, ka tāpat kā vīna gadījumā gaiss un cietās daļiņas ir mikrobu avots, kas aug kultūras buljonos, kas iepriekš sterilizēti ar karstumu. Neilgi pēc tam, 1877. gadā, angļu fiziķis Džons Tindals apstiprināja Pasteura novērojumus, dodot pēdējo triecienu spontānas paaudzes hipotēzei.

Tyndall arī sniedza pierādījumus par īpaši karstumizturīgām baktēriju formām. Neatkarīgi no 1872. līdz 1885. gadam vācu botāniķis Ferdinands Kohns, uzskatīts par mūsdienu mikrobioloģijas pamatlicēju, sīki aprakstīja baktēriju endosporas.

Ilgmūžība

Lielākā daļa organismu dzīvo vidē, kas mainās laikā un telpā. Kopēja stratēģija tādu vides apstākļu izdzīvošanai, kas īslaicīgi nav piemēroti augšanai un pavairošanai, ir atgriešanās stāvoklī, kurā indivīdi patvērās aizsargkonstrukcijās un samazina enerģijas patēriņu.

Pāreja starp aktīvo un latento stāvokli ir metabolisma ziņā dārga. Šis ieguldījums ir lielāks, ja indivīdiem jāveido savas aizsargkonstrukcijas, neatkarīgi no tā, vai tās sastāv no eksogēniem materiāliem vai biosintēzes iekšienē. Turklāt indivīdiem jāspēj reaģēt uz vides stimuliem, kas izraisa pāreju.

Latentums rada neaktivizētu indivīdu rezervuāru, kuru var aktivizēt, kad parādās labvēlīgi apstākļi. Šie rezervuāri ļauj saglabāt populācijas un to ģenētisko daudzveidību. Ja runa ir par patogēnām baktērijām, kas ražo endosporas, latentums atvieglo to pārnešanu un apgrūtina to kontroli.

Baktēriju endosporas var saglabāt dzīvotspēju daudzus gadus. Tika apgalvots, ka endosporas, kas saglabājušās senajos substrātos, piemēram, mūžīgā sasalumā, ūdens nogulumos, pazemes sāls atradnēs vai dzintarā, var palikt dzīvotspējīgas tūkstošiem un pat miljoniem gadu.

Novērošana

Endosporu stāvokļa un citu īpašību vizualizēšana ir ļoti noderīga baktēriju sugu identificēšanai.

Endosporas var redzēt, izmantojot gaismas mikroskopu. Baktērijās, kas pakļautas krāsošanai Grama vai metilēnzilā, tās izšķir kā bezkrāsainus reģionus veģetatīvās baktēriju šūnā. Tas notiek tāpēc, ka endosporas sienas ir izturīgas pret parasto iekrāsošanas reaģentu iespiešanos.

Ir izstrādāta īpaša endosporas krāsošanas metode, kas pazīstama kā Schaeffer-Fulton diferenciālais traips, kas padara tos skaidri redzamus. Šī metode ļauj vizualizēt gan tos, kas atrodas baktēriju veģetatīvās šūnas iekšpusē, gan tos, kas atrodas ārpus tās.

Schaeffer-Fulton metode ir balstīta uz malahīta zaļo spēju notraipīt endosporas. Pēc šīs vielas uzklāšanas safranīns tiek izmantots veģetatīvo šūnu krāsošanai.

Rezultāts ir atšķirīgs endosporas un veģetatīvo šūnu iekrāsojums. Pirmie iegūst zaļu krāsu, bet otrie - sārtu krāsu.

Uzbūve

Veģetatīvās šūnas vai sporangija iekšienē endosporas var atrasties termināli, subtermināli vai centrāli. Šai baktēriju formai ir četri slāņi: medulla, dīgļa siena, garozas un vāks. Dažās sugās ir piektais ārējais membrānas slānis ar nosaukumu exosporium, kas sastāv no lipoproteīniem, kas satur ogļhidrātus.

Medulla vai centrs ir endosporas protoplasti. Tas satur hromosomas, ribosomas un glikolītisko enerģiju ģenerējošo sistēmu. Tam, iespējams, nav citohromu, pat aerobās sugās.

Dīgšanas enerģija tiek glabāta 3-fosfoglicerātā (ATP nav). Tam ir augsta dipikolinīnskābes koncentrācija (5–15% no endospora sausās masas).

Sporas dīgļa siena ieskauj medulāro membrānu. Tas satur tipisku peptidoglikānu, kas geminācijas laikā kļūst par veģetatīvās šūnas sienas.

Galvas garozs ir biezākais endosporas slānis. Apkārt dīgļa sienai. Tas satur netipisku peptidoglikānu ar mazākām šķērssaitēm nekā tipiskais, kas padara to ļoti jutīgu pret lizocīmu autolīzi, kas nepieciešama dīgšanai.

Apvalks sastāv no keratīnam līdzīga proteīna, kas satur daudzas intramolekulāras disulfīdu saites. Apkārt garozā. Tā necaurlaidība nodrošina izturību pret ķīmiskiem uzbrukumiem.

Fizioloģija

Dipikolinīnskābei ir nozīme latentuma uzturēšanā, DNS stabilizācijā un karstumizturībā. Mazu šķīstošu olbaltumvielu klātbūtne šajā skābē piesātina DNS un aizsargā to no karstuma, žāvēšanas, ultravioletās gaismas un ķīmiskām vielām.

Netipiska peptidoglikāna sintēze sākas, kad veidojas asimetrisks starpsienas, kas sadala veģetatīvo šūnu. Tādā veidā peptidoglikāns sadala cilmes šūnas, kurās priekšdziedzeris attīstīsies, divos nodalījumos. Peptidoglikāns aizsargā to no osmotiskas nelīdzsvarotības.

Gliemene osmotiski noņem ūdeni no protoplasta, padarot to izturīgāku pret karstumu un radiāciju.

Endosporas satur DNS remonta enzīmus, kas darbojas smadzeņu aktivizēšanas un turpmākās dīgšanas laikā.

Sporulācija

Endosporas veidošanās procesu no veģetatīvās baktēriju šūnas sauc par sporulāciju vai sporoģenēzi.

Endosporas rodas biežāk, ja noteiktu kritisko barības vielu ir maz. Var būt arī endospora ražošana, kas pārstāv dzīvības apdrošināšanu pret izmiršanu, kad barības vielu ir daudz un citi vides apstākļi ir labvēlīgi.

Sporulācija sastāv no piecām fāzēm:

1) Starpsienas veidošanās (medulārā membrāna, sporas dīgļa siena). Daļa citoplazmas (nākotnes medulla) un replicēta hromosoma ir izolēta.

2) attīstās sporas dīgļa siena.

3) Sintezēts garozs.

4) Tiek izveidots vāks.

5) Veģetatīvā šūna noārdās un mirst, tādējādi atbrīvojot endosporu.

Dīgtspēja

Procesu, kurā endospora pārveidojas par veģetatīvo šūnu, sauc par dīgtspēju. To izraisa endospora apvalka fermentatīvs sadalījums, kas ļauj hidratēt smadzenes un atsākt vielmaiņas aktivitātes.

Dīgtspēja sastāv no trim fāzēm:

1) aktivizēšana. Tas rodas, nodilumam, ķīmiskam aģentam vai karstumam sabojājot apvalku.

2) dīgtspēja (vai iniciācija). Tas sākas, ja vides apstākļi ir labvēlīgi. Peptidoglikāns tiek sadalīts, izdalās dipikolinīnskābe un šūna tiek hidratēta.

3) uzliesmojums. Smadzenes tiek noārdītas, un tiek atsākta biosintēze un šūnu dalīšana.

Patoloģija

Patogēno baktēriju endosporas ir nopietna veselības problēma sakarā ar to izturību pret karsēšanu, sasalšanu, dehidratāciju un radiāciju, kas iznīcina veģetatīvās šūnas.

Piemēram, dažas endosporas verdošā ūdenī (100 ° C) var izdzīvot vairākas stundas. Turpretī veģetatīvās šūnas neiztur temperatūru virs 70 ° C.

Dažas Clostridium un Bacillus ģints endosporas producējošās baktērijas izdala spēcīgus olbaltumvielu toksīnus, kas izraisa botulismu, stingumkrampjiem un Sibīrijas mēri.

Atkarībā no gadījuma ārstēšanā ietilpst kuņģa skalošana, brūču tīrīšana, antibiotikas vai antitoksīna terapija. Preventīvie pasākumi ietver higiēnu, sterilizāciju un vakcināciju.

Botulisms

To izraisa piesārņojums ar Clostridium botulinum sporām. Acīmredzamākais simptoms ir muskuļu paralīze, kurai var sekot nāve. Tā biežums ir zems.

Pastāv trīs veidu botulisms. Zīdaini izraisa medus vai citu pienam pievienotu ar gaisu piesārņotu piedevu norīšana. Savukārt pārtiku ražo, norijot piesārņotu pārtiku (piemēram, konservus), neapstrādātu vai slikti pagatavotu. Visbeidzot, ievainojumi rodas, saskaroties ar zemi, kas ir C. botulinum dabiskais biotops.

Stingumkrampji

To izraisa Clostridium tetani. Tās simptomi ir muskuļu kontrakcijas, kas ir ļoti sāpīgas (grieķu valodā vārds "stingumkrampji" nozīmē sarauties) un tik spēcīgas, ka tās var izraisīt salauztus kaulus. Tas bieži ir letāls. Tā biežums ir zems.

Infekcijas izraisošās C. tetani sporas parasti nonāk ķermenī caur brūci, kurā tās dīgst. Augšanas laikā, kas prasa brūcei slikti skābekli, veģetatīvās šūnas rada stingumkrampju toksīnu.

Baktērijas un to endosporas ir izplatītas vidē, ieskaitot augsni. Tie ir atrasti cilvēku un dzīvnieku fekālijās.

Sibīrijas mēris

To izraisa Bacillus anthracis. Tās simptomi ļoti atšķiras atkarībā no vides un infekcijas vietas. Tā ir nopietna un bieži fatāla slimība. Tā biežums ir mēreni augsts, izraisot epidēmijas dzīvniekiem un cilvēkiem. 18. gadsimtā Sibīrijas mēris iznīcināja Eiropas aitas.

Zālēdāji zīdītāji ir tā dabiskā saimniece. Cilvēki inficējas, nonākot saskarē (parasti arodslimībās) ar dzīvniekiem, vai apstrādājot vai norijot dzīvnieku produktus.

Ir trīs Sibīrijas mēra veidi:

1) Ādas. Ierakstu rada traumas. Uz ādas veidojas melnīgi nekrotiskas čūlas.

2) ieelpojot. Ieeja elpošanas laikā. Tas rada iekaisumu un iekšēju asiņošanu un noved pie komas.

3) kuņģa-zarnu trakts. Ieiešana norijot. Tas izraisa orofarneksa čūlas, smagu asiņošanu vēderā un caureju.

Apmēram 95% gadījumu cilvēka Sibīrijas mērs ir ādas. Mazāk nekā 1% tas ir kuņģa-zarnu traktā.

Kontrole

Endosporas var iznīcināt, sterilizējot autoklāvos, 7–70 minūtes kombinējot 15 psi spiedienu un 115–125 ° C temperatūru. Tos var arī novērst, mainot temperatūras un spiediena izmaiņas, tā, ka ir dīgšana ar sporām, kam seko iegūto veģetatīvo baktēriju nāve.

Peractiķskābe ir viens no efektīvākajiem ķīmiskajiem līdzekļiem endosporas iznīcināšanai. Jods tinktūrā (izšķīdināts spirtā) vai jodofors (apvienojumā ar organisku molekulu) arī parasti ir nāvējošs endosporām.

Endosporas iznīcināšanu ķirurģiskajos instrumentos efektīvi panāk, ievietojot tās traukā, kurā tiek ierosināta plazma (ierosināta gāze, bagāta ar brīvajiem radikāļiem), kurai daži ķīmiski līdzekļi tiek pakļauti negatīvam spiedienam un elektromagnētiskajam laukam.

Endosporu iznīcināšanu lielos objektos, piemēram, matračos, panāk, vairākas stundas pakļaujot tos etilēna oksīdam, kas apvienots ar neuzliesmojošu gāzi.

Pārtikas pārstrādes rūpniecībā hlora dioksīdu izmanto ūdens šķīdumā, lai fumigētu teritorijas, kas potenciāli inficētas ar Sibīrijas mēra endosporām.

Gaļas produktiem pievienotais nātrija nitrīts un sieram pievienotā antibiotika nizīns novērš endosporas producējošo baktēriju augšanu.

Bioloģiskie ieroči un bioterorisms

Bacillus anthracis ir viegli audzēt. Šī iemesla dēļ divu pasaules karu laikā tas tika iekļauts kā bioloģisks ierocis Vācijas, Lielbritānijas, ASV, Japānas un Padomju Savienības arsenālos.

1937. gadā Japānas armija izmantoja Sibīrijas mēri kā bioloģisko ieroci pret Ķīnas civiliedzīvotājiem Mandžūrijā. 1979. gadā Sverdlovskā, Krievijā, vismaz 64 cilvēki mira no nejaušas sporu ieelpošanas no militārā B. anthracis celma. Japānā un Amerikas Savienotajās Valstīs Sibīrijas mēri izmanto teroristu mērķiem.

Pretstatā tam, pašlaik tiek mēģināts izmantot endospora pārklājumus kā līdzekli terapeitiskām zālēm un antigēniem, kas izveidoti profilaktiskas imunizācijas nolūkos.

Atsauces

1. Bārtons, LL Prokariotu strukturālās un funkcionālās attiecības. Springers, Ņujorka.
2. Black, JG 2008. Mikrobioloģija: principi un izpēte. Hobokena, Nīderlande.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Medicīniskā mikrobioloģija. McGraw-Hill, Ņujorka.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Baktēriju sporu atdzimšana un identificēšana 25 līdz 40 miljonus gadu vecā Dominikānas dzintarā. Zinātne 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Baktēriju sporas kā vakcīnas nesēji. Infekcija un imunitāte, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulisms. Infobase Publishing, Ņujorka.
7. Guilfoile, P. 2008. Stingumkrampji. Infobase Publishing, Ņujorka.
8. Džonsons, SS et al. 2007. Senās baktērijas uzrāda DNS remontu. ASV Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: no senatnes un aizēnošanas līdz bioterorisma priekšgalā. Infekcijas slimību klīnikas Ziemeļamerikā, 20, 227–251.
10. Niks DC, Lerans, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Interesanti, moderna DNS baktērijai "250 miljonus gadu veca". Journal of Molecular Evolution, 54, 134. – 137.
11. Preskots, LM 2002. Mikrobioloģija. McGraw-Hill, Ņujorka.
12. Renbergs, I., Nilssons, M. 1992. Mierīgas baktērijas ezeru nogulumos kā paleoekoloģiskie rādītāji. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM griešana. 2003. Bakteriālo sporu jaunievedumi nanobiotehnoloģijā. Nanobiotechnology žurnāls, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Sibīrijas mēris Eiropā: tā epidemioloģija, klīniskās īpašības un loma bioterorismā. Klīniskā mikrobioloģija un infekcija, 8, 479. – 488.
15. Kurpnieks, WR, Lennon, JT 2018. Evolūcija ar sēklu banku: mikrobu miegainības populācijas ģenētiskās sekas. Evolūcijas pieteikumi, 11., 60. – 75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Mikrobioloģijas pamati. McGraw-Hill, Ņujorka.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Mikrobioloģija: ievads. Bendžamins Kamings, Sanfrancisko.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. 250 miljonus gadu veca halotoleranta baktērijas izolēšana no primārā sāls kristāla. Daba 407, 897-900.