ENDOSPOREN: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, BILDUNG, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Endosporen sind Formen des Überlebens bestimmter Bakterien, bestehen aus ruhenden Zellen und dehydrierten beschichteten Schutzschichten und zeigen eine extreme Beständigkeit gegen chemischen und physikalischen Stress. Ohne Nährstoffe können sie unbegrenzt lange halten. Sie werden in Bakterien gebildet.

Endosporen sind die widerstandsfähigsten bekannten lebenden Strukturen. Sie können hohe Temperaturen, ultraviolettes Licht, Gammastrahlung, Austrocknung, Osmose, chemische Mittel und enzymatische Hydrolyse überstehen.

Quelle: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Wenn die Umgebungsbedingungen dies bestimmen, keimen die Endosporen und es entstehen aktive Bakterien, die sich ernähren und vermehren.

Endosporen sind eine Art Spore. Es gibt Pilze, Protozoen, Algen und Pflanzen, die ihre eigenen Arten produzieren. Endosporen haben keine Fortpflanzungsfunktion: Jede Bakterienzelle produziert nur eine. In anderen Organismen können sie dagegen eine Fortpflanzungsfunktion haben.

Geschichte

Mitte des 17. Jahrhunderts beobachtete der niederländische Tuchhändler und Pionier der Mikrobiologie, Antonie van Leeuwenhoek, mit genialen, von ihm selbst entworfenen und hergestellten Mikroskopen als erster lebende Mikroorganismen wie Protozoen, Algen, Hefen, Pilze und Bakterien.

1859 sponserte die französische Akademie der Wissenschaften einen Wettbewerb, an dem der französische Chemiker Louis Pasteur teilnahm. Ziel war es, durch ein Experiment zur "spontanen Erzeugung" Licht ins Dunkel zu bringen, eine alte Hypothese, die vorschlug, dass Leben aus "Lebenskräften" oder "übertragbaren Substanzen" entstehen kann, die in nicht lebender oder zersetzender Materie vorhanden sind.

Pasteur zeigte, dass wie im Fall von Wein Luft und feste Partikel die Quelle der Mikroben sind, die in zuvor mit Hitze sterilisierten Kulturbrühen wachsen. Kurz darauf, 1877, bestätigte der englische Physiker John Tyndall Pasteurs Beobachtungen und versetzte der Hypothese der spontanen Erzeugung den letzten Schlag.

Tyndall lieferte auch Hinweise auf extrem hitzebeständige Formen von Bakterien. Unabhängig davon beschrieb der deutsche Botaniker Ferdinand Cohn, der als Begründer der modernen Mikrobiologie gilt, zwischen 1872 und 1885 die bakteriellen Endosporen ausführlich.

Langlebigkeit

Die meisten Organismen leben in zeitlich und räumlich unterschiedlichen Umgebungen. Eine übliche Strategie, um Umweltbedingungen zu überleben, die vorübergehend für Wachstum und Fortpflanzung ungeeignet sind, besteht darin, in einen reversiblen Ruhezustand einzutreten, in dem Einzelpersonen Zuflucht in Schutzstrukturen suchen und ihren Energieverbrauch minimieren.

Der Übergang zwischen aktiven und latenten Zuständen ist metabolisch kostspielig. Diese Investition ist größer, wenn Einzelpersonen ihre eigenen Schutzstrukturen aufbauen müssen, sei es aus exogenen Materialien oder in ihnen biosynthetisiert. Darüber hinaus müssen Einzelpersonen in der Lage sein, auf Umweltreize zu reagieren, die den Übergang verursachen.

Die Latenz erzeugt ein Reservoir ruhender Personen, das aktiviert werden kann, wenn günstige Bedingungen wieder auftreten. Diese Stauseen ermöglichen die Erhaltung der Populationen und ihrer genetischen Vielfalt. Wenn es um endosporenproduzierende pathogene Bakterien geht, erleichtert die Latenz ihre Übertragung und erschwert ihre Kontrolle.

Bakterielle Endosporen können viele Jahre lebensfähig bleiben. Es wurde argumentiert, dass Endosporen, die in alten Substraten wie Permafrost, aquatischen Sedimenten, unterirdischen Salzablagerungen oder Bernstein konserviert sind, Tausende und sogar Millionen von Jahren lebensfähig bleiben können.

Überwachung

Die Visualisierung der Position und anderer Eigenschaften der Endosporen ist sehr nützlich für die Identifizierung von Bakterienarten.

Endosporen können mit einem Lichtmikroskop gesehen werden. In Bakterien, die einer Gram- oder Methylenblau-Färbung unterzogen wurden, werden diese als farblose Regionen innerhalb der vegetativen Bakterienzelle unterschieden. Dies liegt daran, dass die Wände der Endosporen gegen das Eindringen gewöhnlicher Färbereagenzien beständig sind.

Es wurde eine spezielle Färbemethode für Endosporen entwickelt, die als Schaeffer-Fulton-Differentialfärbung bekannt ist und diese deutlich sichtbar macht. Diese Methode ermöglicht es, sowohl diejenigen zu visualisieren, die sich innerhalb der bakteriellen vegetativen Zelle befinden, als auch diejenigen, die sich außerhalb dieser befinden.

Die Schaeffer-Fulton-Methode basiert auf der Fähigkeit von Malachitgrün, die Wand von Endosporen zu färben. Nach dem Auftragen dieser Substanz wird Safranin verwendet, um die vegetativen Zellen zu färben.

Das Ergebnis ist eine unterschiedliche Färbung von Endosporen und vegetativen Zellen. Die ersteren bekommen eine grüne Farbe und die letzteren eine rosa Farbe.

Struktur

Innerhalb der vegetativen Zelle oder des Sporangiums können sich die Endosporen terminal, subterminal oder zentral befinden. Diese Bakterienform besteht aus vier Schichten: Medulla, Keimwand, Kortex und Abdeckung. Bei einigen Arten gibt es eine fünfte äußere Membranschicht namens Exosporium, die aus Lipoprotein besteht, das Kohlenhydrate enthält.

Das Medulla oder Zentrum ist der Protoplast der Endospore. Es enthält das Chromosom, Ribosomen und ein glykolytisches Energieerzeugungssystem. Es kann sein, dass es selbst bei aeroben Spezies keine Cytochrome aufweist.

Die Energie für die Keimung wird in 3-Phosphoglycerat gespeichert (es gibt kein ATP). Es hat eine hohe Konzentration an Dipicolinsäure (5–15% des Trockengewichts der Endospore).

Die Keimwand der Spore umgibt die Markmembran. Es enthält typisches Peptidoglycan, das während der Gemination zur Zellwand der vegetativen Zelle wird.

Der Kortex ist die dickste Schicht der Endospore. Umgibt die Keimwand. Es enthält atypisches Peptidoglycan mit weniger Vernetzungen als das typische, wodurch es sehr empfindlich gegenüber der für die Keimung erforderlichen Autolyse durch Lysozyme ist.

Die Hülle besteht aus einem Keratin-ähnlichen Protein, das zahlreiche intramolekulare Disulfidbindungen enthält. Umgibt den Kortex. Seine Undurchlässigkeit verleiht Beständigkeit gegen chemische Angriffe.

Physiologie

Dipicolinsäure scheint eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Latenz, der DNA-Stabilisierung und der Hitzebeständigkeit zu spielen. Das Vorhandensein kleiner löslicher Proteine ​​in dieser Säure sättigt die DNA und schützt sie vor Hitze, Austrocknung, ultraviolettem Licht und Chemikalien.

Die Synthese des atypischen Peptidoglykans beginnt, wenn ein asymmetrisches Septum gebildet wird, das die vegetative Zelle teilt. Auf diese Weise teilt das Peptidoglycan die Stammzelle, in der sich die Prespore entwickelt, in zwei Kompartimente. Peptidoglycan schützt es vor osmotischen Ungleichgewichten.

Der Kortex entfernt osmotisch Wasser aus dem Protoplasten und macht ihn widerstandsfähiger gegen Hitze- und Strahlenschäden.

Endosporen enthalten DNA-Reparaturenzyme, die während der Aktivierung des Marks und seiner anschließenden Keimung wirken.

Sporulation

Der Prozess der Bildung einer Endospore aus einer vegetativen Bakterienzelle wird als Sporulation oder Sporogenese bezeichnet.

Endosporen treten häufiger auf, wenn bestimmte kritische Nährstoffe knapp sind. Es kann auch eine Endosporenproduktion geben, die eine Lebensversicherung gegen das Aussterben darstellt, wenn reichlich Nährstoffe vorhanden sind und andere Umweltbedingungen günstig sind.

Die Sporulation besteht aus fünf Phasen:

1) Bildung des Septums (Markmembran, Keimwand der Spore). Ein Teil des Zytoplasmas (zukünftiges Medulla) und ein repliziertes Chromosom werden isoliert.

2) Die Keimwand der Spore entwickelt sich.

3) Der Kortex wird synthetisiert.

4) Die Abdeckung wird gebildet.

5) Die vegetative Zelle wird abgebaut und stirbt ab, wodurch die Endospore freigesetzt wird.

Keimung

Der Prozess, durch den sich eine Endospore in eine vegetative Zelle verwandelt, wird als Keimung bezeichnet. Dies wird durch den enzymatischen Abbau der Endosporenbedeckung ausgelöst, der die Hydratation des Marks und den Neustart der Stoffwechselaktivität ermöglicht.

Die Keimung besteht aus drei Phasen:

1) Aktivierung. Es tritt auf, wenn Abrieb, ein chemisches Mittel oder Hitze die Abdeckung beschädigen.

2) Keimung (oder Initiation). Es beginnt, wenn die Umgebungsbedingungen günstig sind. Peptidoglycan wird abgebaut, Dipicolinsäure wird freigesetzt und die Zelle wird hydratisiert.

3) Ausbruch. Der Kortex wird abgebaut und die Biosynthese und Zellteilung beginnen neu.

Pathologie

Die Endosporen pathogener Bakterien sind aufgrund ihrer Beständigkeit gegen Erhitzen, Einfrieren, Austrocknen und Bestrahlung, die vegetative Zellen abtöten, ein ernstes Gesundheitsproblem.

Beispielsweise können einige Endosporen in kochendem Wasser (100 ° C) mehrere Stunden überleben. Im Gegensatz dazu widerstehen vegetative Zellen Temperaturen über 70 ° C nicht.

Bestimmte endosporenproduzierende Bakterien der Gattungen Clostridium und Bacillus scheiden starke Proteintoxine aus, die Botulismus, Tetanus und Anthrax verursachen.

Je nach Fall umfassen die Behandlungen Magenspülung, Wundreinigung, Antibiotika oder Antitoxintherapie. Vorbeugende Maßnahmen umfassen Hygiene, Sterilisation und Impfung.

Botulismus

Es wird durch Kontamination mit Sporen von Clostridium botulinum verursacht. Das offensichtlichste Symptom ist eine Muskelparalyse, auf die der Tod folgen kann. Die Inzidenz ist gering.

Es gibt drei Arten von Botulismus. Das Kind wird durch die Aufnahme von Honig oder anderen durch Luft kontaminierten Zusatzstoffen verursacht, die der Milch zugesetzt wurden. Lebensmittel werden ihrerseits durch Aufnahme kontaminierter Lebensmittel (wie Konserven) hergestellt, die roh oder schlecht gekocht sind. Schließlich entsteht eine Verletzung durch Bodenkontakt, der der natürliche Lebensraum von C. botulinum ist.

Tetanus

Es wird durch Clostridium tetani verursacht. Zu den Symptomen gehören Muskelkontraktionen, die sehr schmerzhaft sind (im Griechischen bedeutet das Wort „Tetanus“ Kontraktion) und so stark sind, dass sie Knochenbrüche verursachen können. Es ist oft tödlich. Die Inzidenz ist gering.

Infektiöse Sporen von C. tetani gelangen typischerweise durch eine Wunde in den Körper, in der sie keimen. Während des Wachstums, das eine schlechte Sauerstoffversorgung der Wunde erfordert, produzieren die vegetativen Zellen Tetanustoxin.

Die Bakterien und ihre Endosporen sind in der Umwelt, einschließlich des Bodens, weit verbreitet. Sie wurden im Kot von Menschen und Tieren gefunden.

Milzbrand

Es wird durch Bacillus anthracis verursacht. Die Symptome variieren stark je nach Umgebung und Infektionsort. Es ist eine schwere und oft tödliche Krankheit. Die Inzidenz ist mäßig hoch und führt bei Tieren und Menschen zu Epidemien. Im 18. Jahrhundert dezimierte Anthrax die europäischen Schafe.

Pflanzenfressende Säugetiere sind ihr natürlicher Wirt. Menschen infizieren sich durch Kontakt (normalerweise beruflich) mit Tieren oder durch den Umgang mit oder die Einnahme von tierischen Produkten.

Es gibt drei Arten von Anthrax:

1) Haut. Der Eintrag wird durch Verletzungen erzeugt. Auf der Haut bilden sich schwärzliche, nekrotische Geschwüre.

2) Durch Einatmen. Eintritt während des Atmens. Es erzeugt Entzündungen und innere Blutungen und führt zum Koma.

3) Magen-Darm. Eintrag durch Verschlucken. Es verursacht oropharyngeale Geschwüre, schwere Bauchblutungen und Durchfall.

In ungefähr 95% der Fälle ist menschlicher Anthrax kutan. In weniger als 1% ist es gastrointestinal.

Steuerung

Endosporen können durch Sterilisation in Autoklaven zerstört werden, wobei Drücke von 15 psi und Temperaturen von 115–125 ° C für 7–70 Minuten kombiniert werden. Sie können auch durch abwechselnde Änderungen von Temperatur und Druck beseitigt werden, so dass Sporen keimen und die resultierenden vegetativen Bakterien absterben.

Peressigsäure ist eines der wirksamsten chemischen Mittel zur Zerstörung von Endosporen. Jod in Tinktur (gelöst in Alkohol) oder Jodophor (kombiniert mit einem organischen Molekül) ist normalerweise auch für Endosporen tödlich.

Die Zerstörung von Endosporen in chirurgischen Instrumenten wird effektiv erreicht, indem sie in einen Behälter eingeführt werden, in den ein Plasma (angeregtes Gas, das reich an freien Radikalen ist) induziert wird, für das bestimmte chemische Mittel einem Unterdruck und einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt sind.

Die Zerstörung von Endosporen in großen Objekten wie Matratzen wird erreicht, indem sie mehrere Stunden lang Ethylenoxid in Kombination mit einem nicht brennbaren Gas ausgesetzt werden.

Lebensmittelverarbeitende Industrien verwenden Chlordioxid in wässriger Lösung, um Bereiche zu begasen, die möglicherweise mit Anthrax-Endosporen kontaminiert sind.

Natriumnitrit, das Fleischprodukten zugesetzt wird, und das Antibiotikum Nisin, das Käse zugesetzt wird, verhindern das Wachstum von endosporenproduzierenden Bakterien.

Biologische Waffen und Bioterrorismus

Bacillus anthracis ist leicht zu züchten. Aus diesem Grund wurde es während der beiden Weltkriege als biologische Waffe in die Arsenale Deutschlands, Großbritanniens, der Vereinigten Staaten, Japans und der Sowjetunion aufgenommen.

1937 setzte die japanische Armee Anthrax als biologische Waffe gegen chinesische Zivilisten in der Mandschurei ein. 1979 starben in Swerdlowsk, Russland, mindestens 64 Menschen an einem versehentlichen Einatmen von Sporen aus einem vom Militär stammenden Stamm von B. anthracis. In Japan und den Vereinigten Staaten wurde Anthrax für terroristische Zwecke verwendet.

Im Gegensatz dazu wird derzeit versucht, Endosporenbeschichtungen als Vehikel für therapeutische Arzneimittel und für Antigene zu verwenden, die für vorbeugende Immunisierungszwecke hergestellt wurden.

Verweise

1. Barton, LL Strukturelle und funktionelle Beziehungen in Prokaryoten. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Mikrobiologie: Prinzipien und Untersuchungen. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Medizinische Mikrobiologie. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Wiederbelebung und Identifizierung von Bakteriensporen in 25 bis 40 Millionen Jahre altem dominikanischem Bernstein. Science 268, 1060 & ndash; 1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bakterielle Sporen als Impfstoffvehikel. Infektion und Immunität, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulismus. Infobase Publishing, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, New York.
8. Johnson, SS et al. 2007. Alte Bakterien weisen Hinweise auf eine DNA-Reparatur auf. Verfahren der National Academy of Sciences der USA, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: Von der Antike und Dunkelheit zu einem Spitzenreiter im Bioterrorismus. Kliniken für Infektionskrankheiten in Nordamerika, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Regen, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Seltsam moderne DNA für ein "250 Millionen Jahre altes" Bakterium. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Microbiology. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Ruhende Bakterien in Seesedimenten als paläoökologische Indikatoren. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Schneiden. 2003. Neue Anwendungen von Bakteriensporen in der Nanobiotechnologie. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Anthrax in Europa: Epidemiologie, klinische Merkmale und Rolle beim Bioterrorismus. Klinische Mikrobiologie und Infektion, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Evolution mit einer Samenbank: die populationsgenetischen Folgen der mikrobiellen Ruhe. Evolutionäre Anwendungen, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Grundlagen der Mikrobiologie. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Fall, CL 2010. Mikrobiologie: eine Einführung. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Isolierung eines 250 Millionen Jahre alten halotoleranten Bakteriums aus einem primären Salzkristall. Nature 407, 897 & ndash; 900.