Эндоспора — это спящая , жесткая и нерепродуктивная структура, вырабатываемая некоторыми 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 реактивироваться 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] Образование эндоспор среди архей не обнаружено . [7]
Эндоспора состоит из ДНК бактерии , 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.
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 . Эндоспоры сохраняют жизнеспособность неопределенно долго и при соответствующих условиях могут прорастать в вегетативные клетки. Эндоспоры живут тысячи лет, пока стимулы окружающей среды не вызовут их прорастание. Их характеризуют как самые прочные клетки, созданные в природе. [9]
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 секвенировании генома B. subtilis не было обнаружено ортолога человеческого кератина. [13] Кора находится под оболочкой спор и состоит из пептидогликана . 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 дипиколината кальция 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. Для борьбы с этим используется специальная техника морилки, называемая морилкой Мёллера . 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:
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 .
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 между ней и остальной частью клетки начинает формироваться мембранная стенка, известная как споровая перегородка . 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 споры к внешней стороне предспоры. На заключительных стадиях образования эндоспор вновь образующаяся эндоспора обезвоживается и ей дают возможность созреть, прежде чем она высвободится из материнской клетки. [3] Кора головного мозга 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 в конце 19 века, до появления недорогих автоклавов, это был обычный метод. 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:
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, окаменевшей 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]
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 субъединиц сигма-фактора 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, а внутри хозяина организм находится исключительно в вегетативной форме. После выхода за пределы хозяина спорообразование начинается при воздействии воздуха, и споровые формы, по сути, являются единственной фазой существования в окружающей среде. [21] [22]
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]
Примеры бактерий, образующих эндоспоры, включают роды:
