ЕНДОСПОРИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ФОРМУВАННЯ, ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

Ці Ендоспори є формами виживання деяких бактерій, складаються з лежать клітин і зневоднених з покриттям захисних шарів, показуючи виняткову стійкість до хімічних і фізичних навантажень. Вони здатні тривати нескінченно за нестачі поживних речовин. Вони утворюються всередині бактерій.

Ендоспори - найбільш стійкі живі структури, відомі. Вони можуть пережити високі температури, ультрафіолетове випромінювання, гамма-випромінювання, висушування, осмос, хімічні агенти та ферментативний гідроліз.

Джерело: Дартмутський електронний мікроскоп, Дартмутський коледж

Коли умови навколишнього середовища визначають це, ендоспори проростають, створюючи активні бактерії, які живляться та розмножуються.

Ендоспори - це тип спор. Є гриби, найпростіші, водорості та рослини, які виробляють свої власні типи. Ендоспорам не вистачає репродуктивної функції: кожна бактеріальна клітина виробляє лише одну. В інших організмах, навпаки, вони можуть мати репродуктивну функцію.

Історія

У середині 17 століття голландський торговець тканиною та попередник мікробіології Антоні ван Левенгук, використовуючи геніальні мікроскопи власного дизайну та конструкції, вперше спостерігав живі мікроорганізми, включаючи найпростіші, водорості, дріжджі, гриби та бактерії.

У 1859 році Французька академія наук спонсорувала конкурс, в якому брав участь французький хімік Луї Пастер. Мета полягала в тому, щоб пролити світло шляхом експерименту зі «спонтанним поколінням», старовинною гіпотезою, яка передбачає, що життя може виникати з «життєвих сил» або «трансмісивних речовин», присутніх у неживій або розкладається речовині.

Пастер показав, що, як і у випадку з вином, повітря і тверді частинки є джерелом мікробів, які ростуть у бульйонах культури, раніше стерилізованих теплом. Незабаром, у 1877 році, англійський фізик Джон Тіндалл підтвердив спостереження Пастера, завдавши остаточного удару гіпотезі про спонтанне покоління.

Тіндалл також представив докази надзвичайно жаростійких форм бактерій. Незалежно між 1872 та 1885 рр. Німецький ботанік Фердинанд Кон, вважаючи основоположником сучасної мікробіології, детально описав бактеріальні ендоспори.

Довговічність

Більшість організмів живуть у середовищі, яке відрізняється часом та простором. Спільною стратегією виживання умов навколишнього середовища, тимчасово непридатних для росту та відтворення, є введення в оборотний стан спокою, під час якого люди знайдуть притулок у захисних спорудах та мінімізують свої енерговитрати.

Перехід між активними та латентними станами метаболічно затратний. Ця інвестиція більша, коли люди повинні будувати власні захисні споруди, будь то складені з екзогенних матеріалів або біосинтезовані всередині. Крім того, люди повинні вміти реагувати на стимули навколишнього середовища, які спричиняють перехід.

Затримка створює резервуар дрімаючих людей, який може бути активований, коли з'являються сприятливі умови. Ці водойми дозволяють зберегти популяції та їх генетичне різноманіття. Якщо говорити про патогенні бактерії, що продукують ендоспори, то затримка полегшує їх передачу і ускладнює їх контроль.

Бактеріальні ендоспори можуть зберігати життєздатність протягом багатьох років. Стверджується, що ендоспори, що збереглися в древніх субстратах, таких як вічна мерзлота, водні відкладення, підземні родовища солі або бурштину, можуть залишатися життєздатними протягом тисяч і навіть мільйонів років.

Спостереження

Візуалізація положення та інших характеристик ендоспор дуже корисна для ідентифікації видів бактерій.

Ендоспори можна побачити за допомогою світлового мікроскопа. У бактерій, підданих фарбуванню грамом або метиленовим синім, вони виділяються як безбарвні ділянки в межах вегетативної бактеріальної клітини. Це відбувається тому, що стінки ендоспор стійкі до проникнення звичайними фарбувальними реагентами.

Розроблено специфічний метод фарбування ендоспор, відомий як диференціальне пляма Шеффера-Фултона, який робить їх чітко видимими. Цей метод дозволяє візуалізувати як ті, що знаходяться всередині бактеріальної вегетативної клітини, так і ті, що знаходяться поза нею.

Метод Шеффера-Фултона заснований на здатності малахітового зеленого забарвлення стінки ендоспор. Після застосування цієї речовини сафранін використовується для забарвлення вегетативних клітин.

Результатом є диференційне фарбування ендоспор та вегетативних клітин. Перші набувають зеленого кольору, а другі - рожевого кольору.

Будова

Всередині вегетативної клітини або спорангія ендоспори можуть бути розташовані кінцевими, субтермінальними або центрально. Ця бактеріальна форма має чотири шари: мозок, зародкова стінка, кора і покрив. У деяких видів є п'ятий зовнішній мембранозний шар, який називається екзоспорієм, складається з ліпопротеїдів, що містять вуглеводи.

Мозок або центр є протопластом ендоспори. Він містить хромосому, рибосоми та гліколітичну систему генерування енергії. Він може не мати цитохромів, навіть у аеробних видів.

Енергія для проростання зберігається в 3-фосфогліцераті (немає АТФ). Він має високу концентрацію дипіколінової кислоти (5–15% від сухої маси ендоспору).

Зародкову стінку спори оточує медулярна мембрана. Він містить типовий пептидоглікан, який під час гемінації стає клітинною стінкою вегетативної клітини.

Кора - найгустіший шар ендоспори. Оточує зародкова стінка. Він містить атиповий пептидоглікан, має менші поперечні зв’язки, ніж типовий, що робить його дуже чутливим до аутолізу лізоцимами, необхідним для проростання.

Шерсть складається з кератиноподібного білка, який містить численні внутрішньомолекулярні дисульфідні зв’язки. Оточує кору. Його непроникність надає стійкість до хімічних атак.

Фізіологія

Здається, що дипіколінова кислота відіграє роль у підтримці затримки, стабілізації ДНК та жаростійкості. Присутність у цій кислоті невеликих розчинних білків насичує ДНК і захищає її від тепла, висушування, ультрафіолету та хімічних речовин.

Синтез атипового пептидоглікана починається тоді, коли утворюється асиметрична перегородка, яка розділяє вегетативну клітину. Таким чином пептидоглікан ділить стовбурову клітину, в якій преспор буде розвиватися на два відділення. Пептидоглікан захищає його від осмотичних дисбалансів.

Кора осмотично виводить воду з протопласту, роблячи її більш стійкою до впливу тепла та радіаційного ураження.

Ендоспори містять ферменти відновлення ДНК, які діють під час активації мозку та подальшого його проростання.

Спороношення

Процес формування ендоспори з вегетативної бактеріальної клітини називається споруляцією або спорогенезом.

Ендоспори виникають частіше, коли певних критичних поживних речовин не вистачає. Також може бути виробництво ендоспору, що представляє страхування життя від вимирання, коли поживних речовин є в достатку і інших умов навколишнього середовища сприятливі.

Споруляція складається з п'яти фаз:

1) Утворення перегородки (медулярна мембрана, зародкова стінка спори). Виділяють частину цитоплазми (майбутнього мозку) та реплікувану хромосому.

2) Розвивається зародкова стінка спори.

3) Кора синтезується.

4) Формується чохол.

5) Вегетативна клітина руйнується і гине, тим самим вивільняючи ендоспору.

Проростання

Процес, за допомогою якого ендоспор перетворюється у вегетативну клітину, називається проростанням. Це викликано ферментативним руйнуванням покриття ендоспори, що дозволяє гідратацію мозку та відновлення метаболічної активності.

Проростання складається з трьох фаз:

1) Активація. Це відбувається, коли стирання, хімічний агент або жара пошкоджують кришку.

2) Проростання (або ініціація). Він починається, якщо умови навколишнього середовища сприятливі. Пептидоглікан деградує, виділяється дипіколінова кислота, а клітина гідратація.

3) Спалах. Деградується кора, і перезапускається біосинтез та поділ клітин.

Патологія

Ендоспори патогенних бактерій є серйозною проблемою для здоров’я через їх стійкість до нагрівання, замерзання, зневоднення та радіації, які вбивають вегетативні клітини.

Наприклад, деякі ендоспори можуть витримати кілька годин у киплячій воді (100 ° С). На відміну від цього, вегетативні клітини не протистоять температурі вище 70 ° C.

Деякі бактерії, що продукують ендоспори, із роду Clostridium та Bacillus виділяють потужні білкові токсини, що викликають ботулізм, правця та сибірську виразку.

Залежно від випадку, лікування включає промивання шлунка, очищення ран, антибіотики або терапію антитоксинами. Профілактичні заходи включають гігієну, стерилізацію та вакцинацію.

Ботулізм

Він викликаний зараженням спорами Clostridium botulinum. Найбільш очевидний її симптом - параліч м’язів, який може супроводжуватися смертю. Захворюваність його низька.

Існує три види ботулізму. Інфантильне спричиняється прийомом у молоко меду чи інших добавок, забруднених повітрям. Зі свого боку, їжа виробляється при прийомі всередину забрудненої їжі (наприклад, консервів), сирої або погано приготовленої. Нарешті, травма отримується при контакті з землею, яка є природним середовищем існування C. botulinum.

Правець

Він викликається Clostridium tetani. Його симптоми включають м'язові скорочення, які є дуже болючими (грецькою мовою слово "правця" означає скорочення) і настільки сильні, що можуть викликати зламані кістки. Це часто смертельно. Захворюваність його низька.

Інфекційні спори C. tetani зазвичай потрапляють в організм через рану, в яку вони проростають. Під час росту, який вимагає поганої кисневої рани, вегетативні клітини виробляють токсин від правця.

Бактерії та їх ендоспори поширені в навколишньому середовищі, включаючи грунт. Їх знайшли в калі людей і тварин.

Сибірська виразка

Він викликаний Bacillus anthracis. Її симптоми сильно різняться залежно від середовища та місця зараження. Це серйозне і часто летальне захворювання. Захворюваність її помірно висока, спричиняючи епідемії у тварин і людини. У 18 столітті сибірська виразка знищила овець Європи.

Травоїдні ссавці є його природним господарем. Люди заражаються при контакті (як правило, на виробництві) з тваринами, або при поводженні або вживанні продуктів тваринного походження.

Існує три типи сибірської виразки:

1) Шкірна. Запис виробляється травмами. На шкірі утворюються чорнуваті, некротичні виразки.

2) При вдиханні. Вхід під час дихання. Він виробляє запалення і внутрішню кровотечу і призводить до коми.

3) Шлунково-кишковий. Введення шляхом прийому всередину. Він викликає орофарингеальні виразки, сильну черевну кровотечу і діарею.

Приблизно в 95% випадків сибірська виразка людини є шкірною. Менше ніж 1% - це шлунково-кишковий.

Контроль

Ендоспори можуть бути знищені стерилізацією в автоклавах, комбінуючи тиск 15 фунт / кв.дюйм і температуру 115–125 ° С протягом 7–70 хвилин. Їх також можна усунути, чергуючи зміни температури і тиску, таким чином, щоб відбулося проростання спор з подальшим загибеллю отриманих вегетативних бактерій.

Переоцтова кислота є одним з найефективніших хімічних засобів для руйнування ендоспор. Йод у настоянці (розчинений у спирті) або йодофорі (у поєднанні з органічною молекулою) також зазвичай є смертельним для ендоспор.

Руйнування ендоспор в хірургічних інструментах ефективно досягається, вводячи їх у ємність, в яку індукується плазма (збуджений газ, багатий вільними радикалами), для якого певні хімічні агенти зазнають негативного тиску та електромагнітного поля.

Руйнування ендоспор у великих предметах, таких як матраци, досягається шляхом впливу їх на кілька годин етиленоксиду в поєднанні з негорючим газом.

Харчова промисловість використовує діоксид хлору у водному розчині для фумігації ділянок, потенційно забруднених ендоспорами сибірської виразки.

Нітрит натрію, що додається до м'ясних продуктів, а антибіотик нізин, доданий до сиру, перешкоджають росту бактерій, що продукують ендоспори.

Біологічна зброя та біотероризм

Bacillus anthracis легко вирощувати. З цієї причини під час двох світових воєн вона була включена як біологічна зброя в арсенали Німеччини, Великобританії, США, Японії та Радянського Союзу.

У 1937 році японська армія використала сибірську виразку як біологічну зброю проти китайських цивільних у Маньчжурії. У 1979 році в Свердловську, Росія, щонайменше 64 людини загинули від випадкового вдихання спор від військового штаму В. anthracis. У Японії та США сибірська виразка використовувалася в терористичних цілях.

На відміну від цього, зараз робляться спроби використовувати покриття ендоспори як засіб для терапевтичних препаратів та антигенів, створених з метою профілактичної імунізації.

Список літератури

1. Бартон, Л. Л. Структурні та функціональні зв'язки у прокаріотів. Спрінгер, Нью-Йорк.
2. Black, JG 2008. Мікробіологія: принципи та дослідження. Hoboken, NJ.
3. Брукс, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Медична мікробіологія. McGraw-Hill, Нью-Йорк.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Відродження та ідентифікація бактеріальних спор у домініканському бурштині від 25 до 40 мільйонів років. Наука 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Бактеріальні спори як вакцинні носії. Інфекція та імунітет, 71, 2810–2818.
6. Еммелут, Д. 2010. Ботулізм. Видавництво інформаційних баз, Нью-Йорк.
7. Гільфайле, П. 2008. Тетанус. Видавництво інформаційних баз, Нью-Йорк.
8. Johnson, SS та ін. 2007. Давні бактерії свідчать про відновлення ДНК. Праці Національної академії наук США, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Сибірська виразка: від античності та незрозумілості до передовиків у біотероризмі. Інфекційні клініки Північної Америки, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Цікаво сучасна ДНК для бактерії "250 мільйонів років". Журнал молекулярної еволюції, 54, 134–137.
11. Прескотт, Л. М. 2002. Мікробіологія. McGraw-Hill, Нью-Йорк.
12. Ренберг, І., Нільссон, М. 1992. Спокійні бактерії в озерних відкладах як палеоекологічні показники. Журнал палеолінології, 7, 127–135.
13. Рікка, Е., С. М. Різання. 2003. Нові застосування бактеріальних спор у нанобіотехнології. Журнал нанобіотехнологій, jnanobiotechnology.com
14. Шмід, Г., Кауфман, А. 2002. Сибірська язва в Європі: її епідеміологія, клінічні характеристики та роль у біотероризмі. Клінічна мікробіологія та інфекція, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Еволюція з насіннєвим банком: популяційні генетичні наслідки мікробного спокою. Еволюційні програми, 11, 60–75.
16. Таларо, К. П., Таларо, А. 2002. Основи мікробіології. McGraw-Hill, Нью-Йорк.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Мікробіологія: вступ. Бенджамін Камінгс, Сан-Франциско.
18. Vreeland, RH, Розенцвайг, WD, Powers, DW 2000. Виділення 250-річної галотолерантної бактерії з первинного кристала солі. Природа 407, 897-900.