ENDOSPOREN: KENMERKEN, STRUCTUUR, VORMING, FUNCTIES - BIOLOGIE - 2026

De endosporen zijn vormen van overleving van bepaalde bacteriën, bestaan ​​uit slapende cellen en gedehydrateerde gecoate beschermingslagen, die extreem goed bestand zijn tegen chemische en fysische belasting. Ze kunnen voor onbepaalde tijd meegaan in afwezigheid van voedingsstoffen. Ze worden gevormd in bacteriën.

Endosporen zijn de meest resistente levende structuren die we kennen. Ze kunnen hoge temperaturen, ultraviolet licht, gammastraling, uitdroging, osmose, chemische middelen en enzymatische hydrolyse overleven.

Bron: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Wanneer de omgevingsomstandigheden het bepalen, ontkiemen de endosporen en ontstaan ​​er actieve bacteriën die zich voeden en zich vermenigvuldigen.

Endosporen zijn een soort sporen. Er zijn schimmels, protozoa, algen en planten die hun eigen soorten produceren. Endosporen missen reproductieve functie: elke bacteriële cel produceert er maar één. In andere organismen kunnen ze daarentegen een reproductieve functie hebben.

Geschiedenis

In het midden van de 17e eeuw was de Nederlandse lakenhandelaar en pionier op het gebied van microbiologie Antonie van Leeuwenhoek, met behulp van ingenieuze microscopen die hij zelf had ontworpen en gemaakt, de eerste die levende micro-organismen observeerde, waaronder protozoa, algen, gisten, schimmels en bacteriën.

In 1859 sponsorde de Franse Academie van Wetenschappen een wedstrijd waaraan de Franse chemicus Louis Pasteur deelnam. Het doel was om licht te werpen door middel van een experiment over "spontane generatie", een oude hypothese die stelde dat leven kan voortkomen uit "vitale krachten" of "overdraagbare substanties" die aanwezig zijn in niet-levende of ontbindende materie.

Pasteur toonde aan dat, zoals in het geval van wijn, lucht en vaste deeltjes de bron zijn van de microben die groeien in kweekbouillons die eerder met warmte zijn gesteriliseerd. Kort daarna, in 1877, bevestigde de Engelse natuurkundige John Tyndall de observaties van Pasteur en legde hij de genadeslag op de hypothese van spontane generatie.

Tyndall leverde ook bewijs voor extreem hittebestendige vormen van bacteriën. Onafhankelijk daarvan beschreef de Duitse botanicus Ferdinand Cohn, die wordt beschouwd als de grondlegger van de moderne microbiologie, tussen 1872 en 1885 in detail bacteriële endosporen.

Levensduur

De meeste organismen leven in omgevingen die variëren in tijd en ruimte. Een gebruikelijke strategie om omgevingsfactoren te overleven die tijdelijk ongeschikt zijn voor groei en voortplanting, is om in een omkeerbare kiemrust te komen, waarin individuen hun toevlucht zoeken in beschermende structuren en hun energieverbruik minimaliseren.

De overgang tussen actieve en latente toestanden is metabolisch kostbaar. Deze investering is groter wanneer individuen hun eigen beschermende structuren moeten bouwen, of ze nu zijn samengesteld uit exogene materialen of van binnen gebiosynthetiseerd. Bovendien moeten individuen kunnen reageren op prikkels uit de omgeving die de transitie veroorzaken.

Latentie genereert een reservoir van slapende individuen dat kan worden geactiveerd wanneer er weer gunstige omstandigheden optreden. Deze reservoirs maken het behoud van populaties en hun genetische diversiteit mogelijk. Als het gaat om endospore-producerende pathogene bacteriën, vergemakkelijkt latentie hun overdracht en maakt het hun controle moeilijk.

Bacteriële endosporen kunnen vele jaren levensvatbaar blijven. Er wordt beweerd dat endosporen die bewaard zijn gebleven in oude substraten, zoals permafrost, aquatische sedimenten, ondergrondse zoutafzettingen of barnsteen, duizenden en zelfs miljoenen jaren levensvatbaar kunnen blijven.

Observatie

Het visualiseren van de positie en andere kenmerken van de endosporen is erg nuttig voor het identificeren van soorten bacteriën.

Endosporen kunnen worden gezien met een lichtmicroscoop. In bacteriën die zijn onderworpen aan Gram- of methyleenblauwkleuring, worden deze onderscheiden als kleurloze gebieden binnen de vegetatieve bacteriële cel. Dit komt doordat de wanden van de endosporen bestand zijn tegen penetratie door gewone kleuringsreagentia.

Er is een specifieke kleuringsmethode voor endosporen ontwikkeld, de zogenaamde Schaeffer-Fulton differentiële kleuring, die ze duidelijk zichtbaar maakt. Deze methode maakt het mogelijk om zowel degenen die zich in de bacteriële vegetatieve cel bevinden als degenen die zich daarbuiten bevinden te visualiseren.

De Schaeffer-Fulton-methode is gebaseerd op het vermogen van malachietgroen om de wand van endosporen te kleuren. Na het aanbrengen van deze stof wordt safranine gebruikt om de vegetatieve cellen te kleuren.

Het resultaat is een differentiële kleuring van endosporen en vegetatieve cellen. De eerste krijgen een groene kleur en de laatste een roze kleur.

Structuur

Binnen de vegetatieve cel of sporangium kunnen de endosporen terminaal, subterminaal of centraal gelokaliseerd zijn. Deze bacterievorm heeft vier lagen: medulla, kiemwand, cortex en dekking. Bij sommige soorten is er een vijfde buitenste vliezige laag genaamd exosporium, samengesteld uit lipoproteïne dat koolhydraten bevat.

De medulla of het centrum is de protoplast van de endospore. Het bevat het chromosoom, ribosomen en een glycolytisch energieopwekkend systeem. Het heeft misschien geen cytochromen, zelfs niet bij aërobe soorten.

De energie voor kieming wordt opgeslagen in 3-fosfoglyceraat (er is geen ATP). Het heeft een hoge concentratie dipicolinezuur (5–15% van het drooggewicht van de endospore).

De kiemwand van de sporen omgeeft het medullaire membraan. Het bevat typisch peptidoglycaan, dat tijdens verdubbeling de celwand van de vegetatieve cel wordt.

De cortex is de dikste laag van de endospore. Omringt de kiemwand. Het bevat atypisch peptidoglycaan, met minder verknopingen dan normaal, waardoor het erg gevoelig is voor autolyse door lysozymen, noodzakelijk voor kieming.

De vacht is samengesteld uit een keratine-achtig eiwit dat talrijke intramoleculaire disulfidebindingen bevat. Omgeeft de cortex. Zijn ondoordringbaarheid geeft weerstand tegen chemische aanvallen.

Fysiologie

Dipicolinezuur lijkt een rol te spelen bij het behoud van latentie, DNA-stabilisatie en hittebestendigheid. De aanwezigheid van kleine oplosbare eiwitten in dit zuur verzadigt het DNA en beschermt het tegen hitte, uitdroging, ultraviolet licht en chemicaliën.

De synthese van het atypische peptidoglycaan begint wanneer een asymmetrisch septum wordt gevormd dat de vegetatieve cel verdeelt. Op deze manier verdeelt het peptidoglycaan de stamcel waarin de prespore zich zal ontwikkelen in twee compartimenten. Peptidoglycaan beschermt het tegen osmotische onevenwichtigheden.

De cortex verwijdert osmotisch water uit de protoplast, waardoor deze beter bestand is tegen hitte en stralingsschade.

Endosporen bevatten DNA-reparatie-enzymen, die werken tijdens de activering van het merg en de daaropvolgende ontkieming.

Sporulatie

Het proces van het vormen van een endospore uit een vegetatieve bacteriële cel wordt sporulatie of sporogenese genoemd.

Endosporen komen vaker voor wanneer bepaalde kritische voedingsstoffen schaars zijn. Er kan ook endospore-productie plaatsvinden, wat een levensverzekering tegen uitsterven vertegenwoordigt, wanneer voedingsstoffen overvloedig aanwezig zijn en andere omgevingsomstandigheden gunstig zijn.

Sporulatie bestaat uit vijf fasen:

1) Vorming van het septum (medullair membraan, kiemwand van de sporen). Een deel van het cytoplasma (toekomstige medulla) en een gerepliceerd chromosoom worden geïsoleerd.

2) De kiemwand van de sporen ontwikkelt zich.

3) De cortex wordt gesynthetiseerd.

4) De hoes is gevormd.

5) De vegetatieve cel wordt afgebroken en sterft, waardoor de endospore vrijkomt.

Kieming

Het proces waarbij een endospore verandert in een vegetatieve cel, wordt kieming genoemd. Dit wordt veroorzaakt door de enzymatische afbraak van de endospore-omhulling, waardoor het merg wordt gehydrateerd en de metabolische activiteit opnieuw wordt gestart.

Kieming bestaat uit drie fasen:

1) Activering. Het treedt op wanneer slijtage, een chemisch middel of hitte de hoes beschadigt.

2) Kieming (of initiatie). Het begint als de omgevingsomstandigheden gunstig zijn. Peptidoglycaan wordt afgebroken, dipicolinezuur komt vrij en de cel wordt gehydrateerd.

3) Uitbraak. De cortex wordt afgebroken en de biosynthese en celdeling herstarten.

Pathologie

De endosporen van pathogene bacteriën vormen een ernstig gezondheidsprobleem vanwege hun weerstand tegen verhitting, bevriezing, uitdroging en straling, die vegetatieve cellen doden.

Sommige endosporen kunnen bijvoorbeeld enkele uren overleven in kokend water (100 ° C). Daarentegen zijn vegetatieve cellen niet bestand tegen temperaturen boven 70 ° C.

Bepaalde endospore-producerende bacteriën van de geslachten Clostridium en Bacillus scheiden krachtige eiwittoxines uit die botulisme, tetanus en miltvuur veroorzaken.

Afhankelijk van het geval omvatten behandelingen maagspoeling, wondreiniging, antibiotica of antitoxinetherapie. Preventieve maatregelen zijn onder meer hygiëne, sterilisatie en vaccinatie.

Botulisme

Het wordt veroorzaakt door besmetting met sporen van Clostridium botulinum. Het meest voor de hand liggende symptoom is spierverlamming, die kan worden gevolgd door de dood. De incidentie is laag.

Er zijn drie soorten botulisme. De infantiele wordt veroorzaakt door de inname van honing of andere toevoegingen, verontreinigd door lucht, die aan de melk zijn toegevoegd. Voedsel van zijn kant wordt geproduceerd door inname van besmet voedsel (zoals ingeblikt voedsel), rauw of slecht gekookt. Ten slotte wordt letsel veroorzaakt door contact met de grond, de natuurlijke habitat van C. botulinum.

Tetanus

Het wordt veroorzaakt door Clostridium tetani. De symptomen zijn onder meer spiercontracties die zeer pijnlijk zijn (in het Grieks betekent het woord "tetanus" samentrekken) en zo sterk dat ze botbreuken kunnen veroorzaken. Het is vaak dodelijk. De incidentie is laag.

Infectieuze sporen van C. tetani komen meestal het lichaam binnen via een wond, waarin ze ontkiemen. Tijdens de groei, waarbij de wond weinig zuurstof nodig heeft, produceren de vegetatieve cellen tetanustoxine.

De bacteriën en hun endosporen komen veel voor in het milieu, inclusief de bodem. Ze zijn gevonden in de uitwerpselen van mensen en dieren.

Miltvuur

Het wordt veroorzaakt door Bacillus anthracis. De symptomen variëren sterk, afhankelijk van de omgeving en de plaats van infectie. Het is een ernstige en vaak dodelijke ziekte. De incidentie is matig hoog en veroorzaakt epidemieën bij dieren en mensen. In de 18e eeuw decimeerde miltvuur de schapen van Europa.

Herbivore zoogdieren zijn de natuurlijke gastheer. Mensen raken besmet door contact (meestal beroepsmatig) met dieren, of door dierlijke producten te hanteren of in te nemen.

Er zijn drie soorten miltvuur:

1) Cutaan. De inzending wordt veroorzaakt door blessures. Er vormen zich zwartachtige, necrotische zweren op de huid.

2) Door inademing. Entree tijdens het ademen. Het veroorzaakt ontstekingen en inwendige bloedingen en leidt tot coma.

3) Gastro-intestinaal. Binnenkomst door inslikken. Het veroorzaakt orofaryngeale ulcera, ernstige buikbloedingen en diarree.

In ongeveer 95% van de gevallen is menselijke miltvuur cutaan. Bij minder dan 1% is het gastro-intestinaal.

Controle

Endosporen kunnen worden vernietigd door sterilisatie in autoclaven, waarbij een druk van 15 psi en temperaturen van 115–125 ° C gedurende 7–70 minuten worden gecombineerd. Ze kunnen ook worden geëlimineerd door afwisselende temperatuur- en drukveranderingen, zodat sporen ontkiemen gevolgd door de dood van de resulterende vegetatieve bacteriën.

Perazijnzuur is een van de meest effectieve chemische middelen om endosporen te vernietigen. Jodium, in tinctuur (opgelost in alcohol) of jodofoor (gecombineerd met een organisch molecuul) is meestal ook dodelijk voor endosporen.

De vernietiging van endosporen in chirurgische instrumenten wordt effectief bereikt door ze in een container te brengen waarin een plasma (aangeslagen gas rijk aan vrije radicalen) wordt geïnduceerd, waarvoor bepaalde chemische agentia worden blootgesteld aan negatieve druk en een elektromagnetisch veld.

De vernietiging van endosporen in grote voorwerpen, zoals matrassen, wordt bereikt door ze gedurende enkele uren bloot te stellen aan ethyleenoxide gecombineerd met een niet-ontvlambaar gas.

Voedselverwerkende industrieën gebruiken chloordioxide in waterige oplossing om gebieden te ontsmetten die mogelijk besmet zijn met anthrax-endosporen.

Natriumnitriet toegevoegd aan vleesproducten en het antibioticum nisine toegevoegd aan kaas, voorkomen de groei van endospore-producerende bacteriën.

Biologische wapens en bioterrorisme

Bacillus anthracis is gemakkelijk te kweken. Om deze reden werd het tijdens de twee wereldoorlogen als biologisch wapen opgenomen in de arsenalen van Duitsland, Groot-Brittannië, de Verenigde Staten, Japan en de Sovjet-Unie.

In 1937 gebruikte het Japanse leger miltvuur als biologisch wapen tegen Chinese burgers in Mantsjoerije. In 1979 stierven in Sverdlovsk, Rusland, ten minste 64 mensen door het per ongeluk inademen van sporen van een van het leger afkomstige B. anthracis. In Japan en de Verenigde Staten is miltvuur gebruikt voor terroristische doeleinden.

Daarentegen worden momenteel pogingen ondernomen om endospore-coatings te gebruiken als een drager voor therapeutische geneesmiddelen en voor antigenen die zijn gemaakt voor preventieve immunisatiedoeleinden.

Referenties

1. Barton, LL Structurele en functionele relaties in prokaryoten. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Microbiologie: principes en verkenningen. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Medische microbiologie. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Heropleving en identificatie van bacteriële sporen in 25- tot 40 miljoen jaar oude Dominicaanse barnsteen. Science 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Bacteriële sporen als vaccindragers. Infectie en immuniteit, 71, 2810-2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulisme. Infobase Publishing, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Infobase Publishing, New York.
8. Johnson, SS et al. 2007. Oude bacteriën tonen bewijs van DNA-herstel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: van de oudheid en obscuriteit tot een koploper in bioterrorisme. Infectious Disease Clinics of North America, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Vreemd modern DNA voor een "250 miljoen jaar oude" bacterie. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Microbiology. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Slapende bacteriën in sedimenten van meren als paleo-ecologische indicatoren. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Snijden. 2003. Opkomende toepassingen van bacteriële sporen in nanobiotechnologie. Journal of Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Anthrax in Europa: de epidemiologie, klinische kenmerken en rol in bioterrorisme. Clinical Microbiology and Infection, 8, 479-488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Evolutie met een zadenbank: de genetische gevolgen van microbiële kiemrust voor de populatie. Evolutionaire toepassingen, 11, 60-75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Fundamenten in de microbiologie. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Microbiologie: een inleiding. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Isolatie van 250 miljoen jaar oude halotolerante bacterie uit een primair zoutkristal. Nature 407, 897-900.