W procesie ewolucji bakterie przystosowały się do przetrwania w najbardziej niesprzyjających warunkach środowiskowych i zachowały informację dziedziczną poprzez tworzenie zarodników. Wewnątrz komórki tworzą się zarodniki bakterii. Cały proces kiełkowania (tworzenie się zarodników) trwa 18 - 20 godzin. Podczas tego procesu w komórce bakteryjnej zachodzi szereg procesów biochemicznych. Bakterie mogą pozostawać w stanie przypominającym zarodniki przez długi czas – setki lat. W sprzyjających warunkach środowiskowych zarodniki kiełkują. Proces kiełkowania trwa 4 - 5 godzin.
Sporulacja występuje, gdy:
substrat odżywczy jest wyczerpany,
brakuje węgla i azotu,
jony potasu i manganu gromadzą się w wewnętrznym środowisku komórki,
zmienia się poziom kwasowości środowiska itp.
Ryż. 1. Zdjęcie przedstawia zarodnik wewnątrz komórki bakteryjnej (zdjęcie wykonane w świetle mikroskopu elektronowego - EM).
Jakie bakterie są zdolne do sporulacji?
Bakterie w kształcie pałeczek, które tworzą zarodniki, nazywane są pałeczkami.Należą do rodziny Bacillaceae i są reprezentowane przez rodzaj Clostricdium, rodzaj Bacillus i rodzaj Desulfotomaculum. Wszystkie są Gram-dodatnimi bakteriami beztlenowymi.
Rodzaj clostridium zawiera ponad 93 gatunki bakterii. Wszystkie tworzą zarodniki. Bakterie chorobotwórcze z rodzaju Clostridium powodują zgorzel gazową, zgorzel płucną, są odpowiedzialne za powikłania po aborcji i porodzie, a także ciężkie zakażenia toksyczne, w tym zatrucie jadem kiełbasianym. Zarodniki bakterii tego gatunku przekraczają średnicę komórki wegetatywnej.
Rodzaj Bacillus zawiera ponad 217 gatunków bakterii. Bakterie chorobotwórcze z rodzaju Bacillus powodują szereg chorób u ludzi i zwierząt, w tym choroby przenoszone przez żywność i wąglik. Zarodniki bakterii tego gatunku nie przekraczają średnicy komórki wegetatywnej.
Ryż. 2. Zdjęcie przedstawia bakterie z rodzaju Clostridium. Po lewej Clostridia perfingens. Są przyczyną zatruć pokarmowych i zgorzeli gazowej. Po prawej Clostridia botulinum. Bakterie powodują ciężką chorobę przenoszoną przez żywność – zatrucie jadem kiełbasianym.
Ryż. 3. Zdjęcie pokazuje czynnik sprawczy wąglika. Bacillus anthracis rodzaj Bacillus - duży, nieruchomy, z odciętymi końcami (po lewej) i bakterią w stanie zarodnikowym (po prawej).
Przed utworzeniem samego zarodnika poziom metabolizmu wegetatywnej komórki bakteryjnej zmniejsza się, replikacja DNA zatrzymuje się, jeden z nukleotydów jest zlokalizowany w strefie sporogenicznej i rozpoczyna się synteza kwasu dipikolinowego.
Tworzenie strefy sporogenicznej
Tworzenie strefy sporogenicznej rozpoczyna się od zagęszczenia obszaru cytoplazmy, w którym znajduje się nukleotyd (prospora).Izolacja strefy sporogenicznej następuje za pomocą błony cytoplazmatycznej, która zaczyna rosnąć wewnątrz komórki.
Powstawanie prospor i sporów
Kora tworzy się pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną warstwą membrany. Jednym z jego składników jest kwas dipikolinowy, który określa odporność cieplną zarodników.
Strona membrany skierowana na zewnątrz jest pokryta membraną (egzosporią). Składa się z białek, lipidów i innych związków, które nie występują w komórce wegetatywnej. Skorupa jest gruba i luźna. Jest hydrofobowy.
Dojrzewanie zarodników
W okresie dojrzewania zarodników kończy się tworzenie wszystkich jego struktur. Zarodnik staje się odporny na ciepło. Przybiera określony kształt i zajmuje szczególne miejsce w komórce. Po całkowitym dojrzewaniu zarodników następuje autoliza komórek.
Ryż. 4. Zdjęcie przedstawia uformowany zarodnik, na obwodzie którego znajdują się pozostałości cytoplazmy.
Ryż. 5. Zdjęcie po lewej stronie przedstawia nowo powstały zarodnik (A), na obwodzie którego znajdują się pozostałości cytoplazmy. Następnie cytoplazma umiera. Zdjęcie po prawej (B) przedstawia zarodnik oczyszczony w laboratorium.
Ryż. 6. Na powyższym zdjęciu przedstawiono etapy sporulacji - od utworzenia strefy sporogenicznej do całkowitego utworzenia i lizy pozostałości komórkowych. Zdjęcie poniżej przedstawia zarodnik z wyrostkami przypominającymi wstążki. O to jego zewnętrzna powłoka, K to kora, C to wewnętrzna część.
Kora
Kora chroni zarodniki przed enzymami wytwarzanymi w dużych ilościach przez komórkę w końcowym etapie sporulacji. Ich celem jest całkowite zniszczenie macierzystej komórki wegetatywnej. W przypadku braku kory zarodniki bakterii ulegają lizie. Cortex zawiera kwas diaminopimelinowy, który zapewnia stabilność cieplną
Wewnętrzna strona kory sąsiaduje z wewnętrzną stroną błony cytoplazmatycznej. Podczas kiełkowania zarodników kora przekształca się w ścianę komórkową komórki wegetatywnej.
Skorupa zarodników (egzosporium)
Strona błony cytoplazmatycznej skierowana na zewnątrz jest podczas sporulacji pokryta błoną (egzosporium). Składa się z białek, lipidów i innych związków, które nie występują w komórce wegetatywnej. Skorupa jest gruba i luźna. Stanowi około 50% objętości samego zarodnika. Jest hydrofobowy. Zewnętrzna ściana zarodników jest odporna na działanie enzymów. Chroni zarodniki przed przedwczesnym kiełkowaniem.
Ryż. 7. Na zdjęciu zarodnik z wyrostkami. Jej rdzeniem jest spoczynkowa komórka wegetatywna.
Narośla na zarodnikach
Na niektórych zarodnikach podczas sporulacji powstają odrosty. Są różnorodne i specyficzne. Ta cecha jest dziedziczna i stała dla każdej bakterii. Narosty na zarodnikach składają się głównie z białka. Aminokwasy białka są podobne do aminokwasów keratyny i kolagenu. Funkcja narośli na zarodnikach nie została jeszcze w pełni wyjaśniona.
Ryż. 8. Rodzaje narośli na zarodnikach: wici, rurki, patyki pędzlowe, szerokie wstążki, kolce, szpilki, w postaci poroża jelenia.
Ryż. 9. Na zdjęciu zarodniki bakterii z rodzaju Clostridium. Wyrostki w postaci rurek (1 i 5), wyrostki w postaci wici (2), wyrostki wstęgowe (3), wyrostki pierzaste (4), zarodniki z kolcami na powierzchni (6).
Podczas procesu sporulacji zarodnik pokryty jest błonami - zewnętrzną skorupą i korą. Chronią zarodniki przed niekorzystnymi warunkami środowiskowymi.
Kora zawiera kwas diaminopimelinowy, który odpowiada za stabilność termiczną. Powłoka zewnętrzna chroni zarodniki przed przedwczesnym kiełkowaniem i negatywnymi czynnikami środowiskowymi.
W stanie zarodnikowym bakteria jest odporna na podwyższoną temperaturę otoczenia i suszenie. Jest w stanie przetrwać w roztworach o dużej zawartości soli, wytrzymać długotrwałe gotowanie i zamrażanie, promieniowanie i próżnię oraz promieniowanie ultrafioletowe. Zarodnik wykazuje odporność na szereg substancji toksycznych i środków dezynfekcyjnych.
Utrzymywanie się chorobotwórczych zarodników bakterii w środowisku zewnętrznym przyczynia się do utrzymywania się infekcji i rozwoju ciężkich chorób zakaźnych.
Rodzaj, kształt i lokalizacja zarodników u bakterii
Zarodniki bakterii mają kształt owalny i kulisty. Mogą być zlokalizowane na końcach komórki (patogeny tężca), bliżej środka (patogeny zatrucia jadem kiełbasianym i zgorzel gazową) lub w centralnej części komórki (pałeczki wąglika). Rzadziej zarodniki bakterii znajdują się z boku.
Ryż. 10. Zdjęcie przedstawia końcowe przetrwalniki C. difficile i Clostridium tetani.
Ryż. 11. Zdjęcie przedstawia centralnie położone zarodniki bakterii Bacillus cereus.
Ryż. 12. Zdjęcie przedstawia końcowe położenie zarodnika bakterii Bacillus subtilis.
Podczas sporulacji na zarodnikach rodzaju Clostridium i Bacillus tworzą się czapeczki. Mają kształt stożka lub półksiężyca i strukturę komórkową. Komórki przypominają worki wypełnione substancją gazową. Mają kształt patyków lub owali. Komórki pomagają zarodnikowi utrzymać się na wodzie. Nawet po wirowaniu zakryte zarodniki nie mogą ulec sedymentacji. Czapki na zarodnikach tworzą się w bakteriach glebowych gleb hydromorficznych, które powstały w warunkach stagnacji wód powierzchniowych lub w obecności wód gruntowych.
Ryż. 13. Na zdjęciu czapki zarodników mają kształt stożka (po lewej) i półksiężyca (po prawej).
Ryż. 14. Zdjęcie przedstawia budowę czapeczki zarodnika bakteryjnego. Widoczne są pojedyncze owalne komórki gazowe (wakuole, worki).
Bakterie takie jak B. anthracis (czynnik wywołujący wąglika) i B.cereus (czynnik wywołujący toksyczne infekcje) podczas formowania tworzą ciała paraspor. U B. anthracis formacje te mają okrągły kształt, znajdują się na powierzchni zarodników lub są izolowane. Bacillus thuringiensis ma ciała paraspor w postaci bipiramidalnych kryształów białka. Kryształy są toksyczne dla gąsienic, owadów i larw nicieni, muszek i komarów. Gen endotoksyny wykorzystywany jest w bioprotekcji roślin.
Znajdując się w sprzyjających warunkach, zarodnik zaczyna kiełkować w komórkę wegetatywną. Proces kiełkowania trwa 4 - 5 godzin.
Proces aktywacji
Kiełkowaniu sprzyja ogrzewanie, glukoza, aminokwasy, jony niektórych substancji i mechaniczne uszkodzenie ściany zarodników.
Proces inicjacji
Proces inicjacji rozpoczyna się od derepresji genomu. Aktywowane są procesy oddychania i układy enzymatyczne. Kwas dipikolinowy i jony wapnia są usuwane z komórki, a kora ulega zniszczeniu. Podczas sporu zwiększa się ilość wody. Wszystkie te zmiany prowadzą do utraty właściwości zarodników, takich jak stabilność termiczna, odporność na promieniowanie i chemikalia. Charakterystyczną cechą tego procesu jest zmniejszenie stopnia załamania światła przez zarodniki.
Sam proces kiełkowania
Z zarodnika zaczyna wyrastać rurka zarodkowa, niszcząc jej otoczkę. Tworzy się błona komórkowa. Procesy kiełkowania regulowane są przez szereg specjalnych substancji - kiełkujących. Po zakończeniu kiełkowania zarodników komórka zaczyna się dzielić.
Ryż. 16. Zdjęcie przedstawia komórkę bakteryjną, która po wykiełkowaniu zarodnika zaczyna się dzielić.
Sporulacja służy zachowaniu gatunku bakterii. Zarodniki bakterii są niezwykle stabilne w środowisku zewnętrznym, co było powodem podjęcia przez naukowców intensywnych badań nad tym procesem w wielu krajach świata.
