ENDOSPORE: CARATTERISTICHE, STRUTTURA, FORMAZIONE, FUNZIONI - BIOLOGIA - 2025

Le endospore sono forme di sopravvivenza di alcuni batteri, sono costituite da cellule dormienti e strati protettivi rivestiti disidratati, che mostrano un'estrema resistenza allo stress chimico e fisico. Sono in grado di durare indefinitamente in assenza di nutrienti. Si formano all'interno dei batteri.

Le endospore sono le strutture viventi più resistenti conosciute. Possono sopravvivere a temperature elevate, luce ultravioletta, radiazioni gamma, essiccazione, osmosi, agenti chimici e idrolisi enzimatica.

Fonte: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Quando le condizioni ambientali lo determinano, le endospore germinano dando origine a batteri attivi che si nutrono e si moltiplicano.

Le endospore sono un tipo di spora. Ci sono funghi, protozoi, alghe e piante che producono i propri tipi. Le endospore mancano di funzione riproduttiva: ogni cellula batterica ne produce solo una. In altri organismi, al contrario, possono avere una funzione riproduttiva.

Storia

A metà del XVII secolo, il mercante di tessuti olandese e pioniere della microbiologia Antonie van Leeuwenhoek, utilizzando ingegnosi microscopi progettati e realizzati da lui stesso, fu il primo ad osservare i microrganismi viventi, tra cui protozoi, alghe, lieviti, funghi e batteri.

Nel 1859, l'Accademia francese delle scienze sponsorizzò un concorso a cui partecipò il chimico francese Louis Pasteur. L'obiettivo era fare luce attraverso un esperimento sulla "generazione spontanea", un'antica ipotesi che proponeva che la vita potesse nascere da "forze vitali" o "sostanze trasmissibili" presenti nella materia non vivente o in decomposizione.

Pasteur ha dimostrato che, come nel caso del vino, l'aria e le particelle solide sono la fonte dei microbi che crescono nei brodi di coltura precedentemente sterilizzati con il calore. Poco dopo, nel 1877, il fisico inglese John Tyndall corroborò le osservazioni di Pasteur, mettendo il colpo finale all'ipotesi della generazione spontanea.

Tyndall ha anche fornito prove di forme di batteri estremamente resistenti al calore. Indipendentemente, tra il 1872 e il 1885, il botanico tedesco Ferdinand Cohn, considerato il fondatore della moderna microbiologia, descrisse dettagliatamente le endospore batteriche.

Longevità

La maggior parte degli organismi vive in ambienti che variano nel tempo e nello spazio. Una strategia comune per sopravvivere a condizioni ambientali temporaneamente inadatte alla crescita e alla riproduzione è quella di entrare in uno stato di dormienza reversibile, durante il quale gli individui si rifugiano in strutture protettive e riducono al minimo il loro dispendio energetico.

La transizione tra stati attivi e latenti è metabolicamente costosa. Questo investimento è maggiore quando gli individui devono costruire le proprie strutture protettive, siano esse composte da materiali esogeni o biosintetizzate all'interno. Inoltre, gli individui devono essere in grado di rispondere agli stimoli ambientali che causano la transizione.

La latenza genera un serbatoio di individui dormienti che possono essere attivati ​​quando ricompaiono condizioni favorevoli. Questi serbatoi consentono la conservazione delle popolazioni e della loro diversità genetica. Quando si tratta di batteri patogeni produttori di endospore, la latenza facilita la loro trasmissione e rende difficile il loro controllo.

Le endospore batteriche possono rimanere vitali per molti anni. È stato affermato che le endospore conservate in substrati antichi, come il permafrost, i sedimenti acquatici, i depositi di sale sotterranei o l'ambra possono rimanere vitali per migliaia e persino milioni di anni.

Osservazione

Visualizzare la posizione e altre caratteristiche delle endospore è molto utile per l'identificazione delle specie di batteri.

Le endospore possono essere viste usando un microscopio ottico. Nei batteri soggetti a colorazione Gram o blu di metilene, questi si distinguono come regioni incolori all'interno della cellula batterica vegetativa. Questo perché le pareti delle endospore sono resistenti alla penetrazione dei normali reagenti di colorazione.

È stato sviluppato un metodo di colorazione specifico per le endospore, noto come colorazione differenziale Schaeffer-Fulton, che le rende chiaramente visibili. Questo metodo permette di visualizzare sia quelli che si trovano all'interno della cellula vegetativa batterica sia quelli che si trovano all'esterno di essa.

Il metodo Schaeffer-Fulton si basa sulla capacità del verde malachite di macchiare la parete delle endospore. Dopo aver applicato questa sostanza, la safranina viene utilizzata per colorare le cellule vegetative.

Il risultato è una colorazione differenziale delle endospore e delle cellule vegetative. I primi acquisiscono un colore verde e il secondo un colore rosato.

Struttura

All'interno della cellula vegetativa, o sporangium, le endospore possono essere localizzate terminali, subterminali o centrali. Questa forma batterica ha quattro strati: midollo, parete germinale, corteccia e copertura. In alcune specie esiste un quinto strato membranoso esterno chiamato exosporium, composto da lipoproteine ​​che contiene carboidrati.

Il midollo o il centro è il protoplasto dell'endospora. Contiene il cromosoma, i ribosomi e un sistema di generazione di energia glicolitica. Potrebbe non avere citocromi, anche nelle specie aerobiche.

L'energia per la germinazione è immagazzinata nel 3-fosfoglicerato (non c'è ATP). Ha un'alta concentrazione di acido dipicolinico (5–15% del peso secco dell'endospora).

La parete germinale della spora circonda la membrana midollare. Contiene il tipico peptidoglicano, che durante la geminazione diventa la parete cellulare della cellula vegetativa.

La corteccia è lo strato più spesso dell'endospora. Circonda il muro germinale. Contiene peptidoglicano atipico, con meno legami crociati rispetto a quello tipico, che lo rende molto sensibile all'autolisi da parte dei lisozimi, necessari per la germinazione.

Il mantello è composto da una proteina simile alla cheratina che contiene numerosi legami disolfuro intramolecolari. Circonda la corteccia. La sua impermeabilità conferisce resistenza agli attacchi chimici.

Fisiologia

L'acido dipicolinico sembra avere un ruolo nel mantenimento della latenza, nella stabilizzazione del DNA e nella resistenza al calore. La presenza di piccole proteine ​​solubili in questo acido satura il DNA e lo protegge dal calore, dall'essiccazione, dalla luce ultravioletta e dalle sostanze chimiche.

La sintesi del peptidoglicano atipico inizia quando si forma un setto asimmetrico che divide la cellula vegetativa. In questo modo, il peptidoglicano divide la cellula staminale in cui si svilupperà il prespore in due compartimenti. Il peptidoglicano lo protegge dagli squilibri osmotici.

La corteccia rimuove osmoticamente l'acqua dal protoplasto, rendendolo più resistente al calore e ai danni da radiazioni.

Le endospore contengono enzimi di riparazione del DNA, che agiscono durante l'attivazione del midollo e la sua successiva germinazione.

sporulazione

Il processo di formazione di un'endospora da una cellula batterica vegetativa è chiamato sporulazione o sporogenesi.

Le endospore si verificano più frequentemente quando alcuni nutrienti critici scarseggiano. Potrebbe anche esserci produzione di endospore, che rappresenta un'assicurazione sulla vita contro l'estinzione, quando i nutrienti sono abbondanti e altre condizioni ambientali sono favorevoli.

La sporulazione si compone di cinque fasi:

1) Formazione del setto (membrana midollare, parete germinale delle spore). Una parte del citoplasma (futuro midollo) e un cromosoma replicato vengono isolati.

2) Si sviluppa la parete germinale delle spore.

3) La corteccia è sintetizzata.

4) Si forma la copertina.

5) La cellula vegetativa si degrada e muore, rilasciando così l'endospora.

Germinazione

Il processo mediante il quale un'endospora si trasforma in una cellula vegetativa è chiamato germinazione. Ciò è innescato dalla rottura enzimatica del rivestimento endospore, che consente l'idratazione del midollo e la ripresa dell'attività metabolica.

La germinazione si compone di tre fasi:

1) Attivazione. Si verifica quando l'abrasione, un agente chimico o il calore danneggiano la copertura.

2) Germinazione (o iniziazione). Inizia se le condizioni ambientali sono favorevoli. Il peptidoglicano viene degradato, viene rilasciato acido dipicolinico e la cellula viene idratata.

3) Focolaio. La corteccia viene degradata e la biosintesi e la divisione cellulare ricominciano.

Patologia

Le endospore dei batteri patogeni sono un grave problema di salute a causa della loro resistenza al riscaldamento, al congelamento, alla disidratazione e alle radiazioni, che uccidono le cellule vegetative.

Ad esempio, alcune endospore possono sopravvivere per diverse ore in acqua bollente (100 ° C). Al contrario, le cellule vegetative non resistono a temperature superiori a 70 ° C.

Alcuni batteri produttori di endospore dei generi Clostridium e Bacillus espellono potenti tossine proteiche che causano botulismo, tetano e antrace.

A seconda dei casi, i trattamenti includono lavanda gastrica, pulizia delle ferite, antibiotici o terapia con antitossine. Le misure preventive includono igiene, sterilizzazione e vaccinazione.

Botulismo

È causato dalla contaminazione con spore di Clostridium botulinum. Il suo sintomo più evidente è la paralisi muscolare, che può essere seguita dalla morte. La sua incidenza è bassa.

Esistono tre tipi di botulismo. L'infantile è causato dall'ingestione di miele o altri additivi, contaminati dall'aria, che sono stati aggiunti al latte. Da parte sua, il cibo è prodotto dall'ingestione di cibo contaminato (come cibo in scatola), crudo o scarsamente cotto. Infine, il danno è prodotto dal contatto con il suolo, che è l'habitat naturale del C. botulinum.

Tetano

È causato da Clostridium tetani. I suoi sintomi includono contrazioni muscolari che sono molto dolorose (in greco, la parola "tetano" significa contrarsi) e così forti da causare fratture ossee. È spesso fatale. La sua incidenza è bassa.

Le spore infettive di C. tetani entrano tipicamente nel corpo attraverso una ferita, in cui germinano. Durante la crescita, che richiede una scarsa ossigenazione della ferita, le cellule vegetative producono la tossina tetanica.

I batteri e le loro endospore sono comuni nell'ambiente, compreso il suolo. Sono stati trovati nelle feci di esseri umani e animali.

Antrace

È causato da Bacillus anthracis. I suoi sintomi variano notevolmente a seconda dell'ambiente e del sito di infezione. È una malattia grave e spesso mortale. La sua incidenza è moderatamente alta, producendo epidemie negli animali e nell'uomo. Nel XVIII secolo, l'antrace decimò le pecore europee.

I mammiferi erbivori sono il suo ospite naturale. Gli esseri umani vengono infettati dal contatto (solitamente professionale) con gli animali o dalla manipolazione o dall'ingestione di prodotti animali.

Esistono tre tipi di antrace:

1) Cutanea. La voce è prodotta da infortuni. Sulla pelle si formano ulcere necrotiche.

2) Per inalazione. Ingresso durante la respirazione. Produce infiammazione ed emorragia interna e porta al coma.

3) Gastrointestinale. Ingresso per ingestione. Causa ulcere orofaringee, grave sanguinamento addominale e diarrea.

In circa il 95% dei casi, l'antrace umano è cutaneo. In meno dell'1% è gastrointestinale.

Controllo

Le endospore possono essere distrutte mediante sterilizzazione in autoclavi, combinando pressioni di 15 psi e temperature di 115–125 ° C per 7–70 minuti. Possono anche essere eliminati alternando variazioni di temperatura e pressione, in modo tale che vi sia la germinazione delle spore seguita dalla morte dei batteri vegetativi risultanti.

L'acido peracetico è uno degli agenti chimici più efficaci per distruggere le endospore. Anche lo iodio, in tintura (sciolto in alcool) o iodoforo (combinato con una molecola organica) è solitamente letale per le endospore.

La distruzione delle endospore negli strumenti chirurgici si ottiene efficacemente introducendole in un contenitore nel quale viene indotto un plasma (gas eccitato ricco di radicali liberi), per il quale alcuni agenti chimici sono soggetti a pressione negativa e ad un campo elettromagnetico.

La distruzione delle endospore in oggetti di grandi dimensioni, come i materassi, si ottiene esponendoli per diverse ore all'ossido di etilene combinato con un gas non infiammabile.

Le industrie di trasformazione alimentare utilizzano biossido di cloro in soluzione acquosa per fumigare aree potenzialmente contaminate da endospore di antrace.

Il nitrito di sodio aggiunto ai prodotti a base di carne e la nisina antibiotica aggiunta al formaggio prevengono la crescita dei batteri produttori di endospore.

Armi biologiche e bioterrorismo

Il Bacillus anthracis è facile da coltivare. Per questo motivo durante le due guerre mondiali fu inclusa come arma biologica negli arsenali di Germania, Gran Bretagna, Stati Uniti, Giappone e Unione Sovietica.

Nel 1937 l'esercito giapponese usò l'antrace come arma biologica contro i civili cinesi in Manciuria. Nel 1979, a Sverdlovsk, in Russia, almeno 64 persone morirono per inalazione accidentale di spore di un ceppo di derivazione militare di B. anthracis. In Giappone e negli Stati Uniti, l'antrace è stato utilizzato per scopi terroristici.

Al contrario, sono attualmente in corso tentativi per utilizzare rivestimenti endospore come veicolo per farmaci terapeutici e per antigeni creati per scopi di immunizzazione preventiva.

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