Endosporo - Endospore

Uma preparação corada da célula Bacillus subtilis mostrando endosporos verdes e a célula vegetativa vermelha
Endosporos brilhantes de fase de Paenibacillus alvei fotografados com microscopia de contraste de fase

Um endosporo é uma estrutura dormente , resistente e não reprodutiva produzida por algumas bactérias do filo Firmicutes . O nome "endosporo" sugere um esporo ou forma semelhante a uma semente ( endo significa dentro), mas não é um esporo verdadeiro (ou seja, não é uma prole). É uma forma enxuta e dormente à qual a bactéria pode se reduzir. A formação de endosporos geralmente é desencadeada por uma falta de nutrientes e geralmente ocorre em bactérias gram-positivas . Na formação de endosporos, a bactéria se divide dentro de sua parede celular e um lado envolve o outro. Os endosporos permitem que as bactérias fiquem dormentes por longos períodos, até mesmo séculos. Existem muitos relatos de esporos que permaneceram viáveis ​​por mais de 10.000 anos, e o renascimento de esporos com milhões de anos foi reivindicado. Há um relato de esporos viáveis ​​de Bacillus marismortui em cristais de sal com aproximadamente 250 milhões de anos. Quando o ambiente se torna mais favorável, o endosporo pode se reativar para o estado vegetativo. A maioria dos tipos de bactérias não pode mudar para a forma de endosporo. Exemplos de espécies bacterianas que podem formar endosporos incluem Bacillus cereus , Bacillus anthracis , Bacillus thuringiensis , Clostridium botulinum e Clostridium tetani .

O endosporo consiste no DNA da bactéria , ribossomos e grandes quantidades de ácido dipicolínico . O ácido dipicolínico é uma substância química específica de esporos que parece ajudar na capacidade dos endosporos de manter a dormência. Este produto químico é responsável por até 10% do peso seco do esporo.

Os endosporos podem sobreviver sem nutrientes. Eles são resistentes à radiação ultravioleta , dessecação , alta temperatura, congelamento extremo e desinfetantes químicos . Endosporos termorresistentes foram formulados pela primeira vez por Ferdinand Cohn após estudar o crescimento de Bacillus subtilis em queijo após fervê-lo. Sua noção de esporos sendo o mecanismo reprodutivo para o crescimento foi um grande golpe para as sugestões anteriores de geração espontânea. O astrofísico Steinn Sigurdsson disse: "Existem esporos bacterianos viáveis ​​que foram encontrados com 40 milhões de anos na Terra - e sabemos que eles são muito resistentes à radiação." Os agentes antibacterianos comuns que atuam destruindo as paredes celulares vegetativas não afetam os endosporos. Os endosporos são comumente encontrados no solo e na água, onde podem sobreviver por longos períodos. Uma variedade de microorganismos diferentes forma "esporos" ou "cistos", mas os endosporos de bactérias gram-positivas com baixo G + C são de longe os mais resistentes a condições adversas.

Algumas classes de bactérias podem se transformar em exosporos, também conhecidos como cistos microbianos , em vez de endosporos. Exosporos e endosporos são dois tipos de estágios de "hibernação" ou dormentes vistos em algumas classes de microrganismos.

Formação de um endosporo através do processo de esporulação.

Ciclo de vida de bactérias

O ciclo de vida bacteriano não inclui necessariamente a esporulação. Condições ambientais adversas costumam desencadear a esporulação, de modo a auxiliar na sobrevivência da bactéria. Os endosporos não apresentam sinais de vida e podem, portanto, ser descritos como criptobióticos . Os endosporos retêm a viabilidade indefinidamente e podem germinar em células vegetativas nas condições apropriadas. Os endosporos sobreviveram milhares de anos até que estímulos ambientais desencadeassem a germinação. Eles têm sido caracterizados como as células mais duráveis ​​produzidas na natureza.

Estrutura

Variações na morfologia do endosporo: (1, 4) endosporo central; (2, 3, 5) endosporo terminal; (6) endosporo lateral

As bactérias produzem um único endosporo internamente. O esporo é às vezes cercado por uma fina cobertura conhecida como exosporium , que recobre o revestimento do esporo . O revestimento de esporos, que atua como uma peneira que exclui grandes moléculas tóxicas como a lisozima , é resistente a muitas moléculas tóxicas e também pode conter enzimas que estão envolvidas na germinação . Nos endosporos de Bacillus subtilus , estima-se que o revestimento dos esporos contenha mais de 70 proteínas de revestimento, que são organizadas em uma camada interna e outra externa. O padrão de difração de raios-X de endosporos purificados de B. subtilis indica a presença de um componente com uma estrutura periódica regular, que Kadota e Iijima especularam que pode ser formado a partir de uma proteína semelhante à queratina. No entanto, após estudos adicionais, este grupo concluiu que a estrutura da proteína do revestimento dos esporos era diferente da queratina. Quando o genoma de B. subtilis foi sequenciado, nenhum ortólogo de queratina humana foi detectado. O córtex fica abaixo da camada de esporos e consiste em peptidoglicano . A parede do núcleo fica abaixo do córtex e envolve o protoplasto ou núcleo do endosporo. O núcleo contém o DNA cromossômico do esporo, que é envolto em proteínas semelhantes à cromatina , conhecidas como SASPs (pequenas proteínas de esporos solúveis em ácido), que protegem o DNA do esporo da radiação ultravioleta e do calor. O núcleo também contém estruturas celulares normais, como ribossomos e outras enzimas , mas não é metabolicamente ativo.

Até 20% do peso seco do endosporo consiste em dipicolinato de cálcio dentro do núcleo, que se acredita estabilizar o DNA . O ácido dipicolínico pode ser responsável pela resistência ao calor do esporo, e o cálcio pode auxiliar na resistência ao calor e a agentes oxidantes. No entanto, mutantes resistentes ao calor, mas sem ácido dipicolínico, foram isolados, sugerindo que outros mecanismos que contribuem para a resistência ao calor também estão em ação. Pequenas proteínas solúveis em ácido (SASPs) são encontradas nos endosporos. Essas proteínas se ligam fortemente e condensam o DNA e são em parte responsáveis ​​pela resistência à luz ultravioleta e aos produtos químicos que danificam o DNA.

A visualização dos endosporos sob microscopia de luz pode ser difícil devido à impermeabilidade da parede do endosporo aos corantes e manchas. Enquanto o resto de uma célula bacteriana pode manchar, o endosporo permanece incolor. Para combater isso, uma técnica de coloração especial chamada coloração de Moeller é usada. Isso permite que o endosporo apareça em vermelho, enquanto o resto da célula se cora em azul. Outra técnica de coloração para endosporos é a coloração de Schaeffer-Fulton , que cora os endosporos de verde e os corpos bacterianos de vermelho. O arranjo das camadas de esporos é o seguinte:

  • Exosporium
  • Casaco de esporo
  • Córtex do esporo
  • Parede central

Localização

A posição do endosporo difere entre as espécies bacterianas e é útil na identificação. Os principais tipos dentro da célula são endosporos terminais, subterminais e centrais. Os endosporos terminais são vistos nos pólos das células, enquanto os endosporos centrais estão mais ou menos no meio. Endosporos subterminais são aqueles entre esses dois extremos, geralmente vistos longe o suficiente em direção aos pólos, mas próximos o suficiente do centro para não serem considerados terminais ou centrais. Endosporos laterais são vistos ocasionalmente.

Exemplos de bactérias com endosporos terminais incluem Clostridium tetani , o patógeno que causa a doença tetânica . As bactérias com um endosporo colocado centralmente incluem Bacillus cereus . Às vezes, o endosporo pode ser tão grande que a célula pode se distender em torno do endosporo. Isso é típico de Clostridium tetani .

Formação e destruição

Formação e ciclo de endosporos

Em condições de fome, especialmente a falta de fontes de carbono e nitrogênio, um único endosporo se forma dentro de algumas bactérias por meio de um processo chamado esporulação.

Quando uma bactéria detecta que as condições ambientais estão se tornando desfavoráveis, ela pode iniciar o processo de endosporulação, que leva cerca de oito horas. O DNA é replicado e uma parede de membrana conhecida como septo de esporos começa a se formar entre ele e o resto da célula. A membrana plasmática da célula envolve essa parede e se separa para deixar uma membrana dupla ao redor do DNA, e a estrutura em desenvolvimento é agora conhecida como forespore. O dipicolinato de cálcio, o sal de cálcio do ácido dipicolínico, é incorporado ao forespore durante esse período. O ácido dipicolínico ajuda a estabilizar as proteínas e o DNA no endosporo. Em seguida, o córtex do peptidoglicano se forma entre as duas camadas e a bactéria adiciona um revestimento de esporos ao exterior do forespore. Nos estágios finais da formação do endosporo, o endosporo recém-formado é desidratado e amadurecido antes de ser liberado da célula-mãe. O córtex é o que torna o endosporo tão resistente à temperatura. O córtex contém uma membrana interna conhecida como núcleo. A membrana interna que envolve esse núcleo leva à resistência do endosporo contra a luz ultravioleta e produtos químicos agressivos que normalmente destruiriam os micróbios. A esporulação agora está completa e o endosporo maduro será liberado quando a célula vegetativa circundante for degradada.

Os endosporos são resistentes à maioria dos agentes que normalmente matariam as células vegetativas a partir das quais se formaram. Ao contrário das células persistentes , os endosporos são o resultado de um processo de diferenciação morfológica desencadeado pela limitação de nutrientes (fome) no ambiente; a endosporulação é iniciada por detecção de quorum dentro da população "faminta". A maioria dos desinfetantes, como produtos de limpeza doméstica, álcoois , compostos de amônio quaternário e detergentes, têm pouco efeito sobre os endosporos. No entanto, agentes alquilantes esterilizantes , como óxido de etileno (ETO) e alvejante a 10%, são eficazes contra os endosporos. Para matar a maioria dos esporos de antraz , alvejante doméstico padrão (com hipoclorito de sódio a 10% ) deve estar em contato com os esporos por pelo menos vários minutos; uma proporção muito pequena de esporos pode sobreviver por mais de 10 minutos em tal solução. Concentrações mais altas de alvejante não são mais eficazes e podem fazer com que alguns tipos de bactérias se agregem e sobrevivam.

Embora significativamente resistentes ao calor e à radiação, os endosporos podem ser destruídos por queima ou por autoclavagem a uma temperatura que excede o ponto de ebulição da água, 100 ° C. Os endosporos são capazes de sobreviver a 100 ° C por horas, embora quanto maior o número de horas, menos sobreviverão. Uma forma indireta de destruí-los é colocá-los em um ambiente que os reative ao estado vegetativo. Eles germinarão em um ou dois dias com as condições ambientais adequadas, e então as células vegetativas, não tão resistentes quanto os endosporos, podem ser destruídas diretamente. Este método indireto é chamado de tyndallization . Foi o método usual por um tempo no final do século 19, antes da introdução de autoclaves baratas. A exposição prolongada à radiação ionizante , como raios X e raios gama , também mata a maioria dos endosporos.

Os endosporos de certos tipos de bactérias (normalmente não patogênicas), como Geobacillus stearothermophilus , são usados ​​como sondas para verificar se um item autoclavado foi tornado verdadeiramente estéril: uma pequena cápsula contendo os esporos é colocada na autoclave com os itens; após o ciclo, o conteúdo da cápsula é cultivado para verificar se algo crescerá a partir dela. Se nada crescer, os esporos foram destruídos e a esterilização foi bem-sucedida.

Em hospitais, endosporos em instrumentos invasivos delicados, como endoscópios, são mortos por esterilizadores de óxido de etileno de baixa temperatura e não corrosivos. O óxido de etileno é o único esterilizante de baixa temperatura para impedir surtos nesses instrumentos. Em contraste, a "desinfecção de alto nível" não mata os endosporos, mas é usada para instrumentos como um colonoscópio que não entra em cavidades corporais estéreis. Este último método usa apenas água morna, enzimas e detergentes.

Os endosporos bacterianos são resistentes a antibióticos, à maioria dos desinfetantes e a agentes físicos como radiação, fervura e secagem. A impermeabilidade do revestimento do esporo é considerada responsável pela resistência do endosporo aos produtos químicos. A resistência ao calor dos endosporos é devido a uma variedade de fatores:

  • O dipicolinato de cálcio, abundante dentro do endosporo, pode estabilizar e proteger o DNA do endosporo.
  • Pequenas proteínas solúveis em ácido (SASPs) saturam o DNA do endosporo e o protegem do calor, secagem, produtos químicos e radiação. Eles também funcionam como uma fonte de carbono e energia para o desenvolvimento de uma bactéria vegetativa durante a germinação.
  • O córtex pode remover osmoticamente água do interior do endosporo e a desidratação resultante é considerada muito importante na resistência do endosporo ao calor e à radiação.
  • Finalmente, as enzimas de reparo do DNA contidas no endosporo são capazes de reparar o DNA danificado durante a germinação.

Reativação

A reativação do endosporo ocorre quando as condições são mais favoráveis ​​e envolve ativação , germinação e crescimento . Mesmo se um endosporo estiver localizado em nutrientes abundantes, ele pode deixar de germinar, a menos que a ativação tenha ocorrido. Isso pode ser desencadeado pelo aquecimento do endosporo. A germinação envolve o endosporo dormente iniciando a atividade metabólica e, assim, interrompendo a hibernação. É comumente caracterizada por ruptura ou absorção do revestimento do esporo, inchaço do endosporo, aumento da atividade metabólica e perda de resistência ao estresse ambiental.

O crescimento segue a germinação e envolve o núcleo do endosporo, fabricando novos componentes químicos e saindo do antigo revestimento do esporo para se desenvolver em uma célula bacteriana vegetativa totalmente funcional, que pode se dividir para produzir mais células.

Os endosporos possuem cinco vezes mais enxofre do que as células vegetativas. Esse excesso de enxofre está concentrado nas camadas de esporos como um aminoácido, a cisteína . Acredita-se que a macromolécula responsável por manter o estado dormente possua uma capa protéica rica em cistina, estabilizada por ligações SS. Uma redução nessas ligações tem o potencial de alterar a estrutura terciária, fazendo com que a proteína se desdobre. Acredita-se que essa mudança conformacional na proteína seja responsável pela exposição de sítios enzimáticos ativos necessários para a germinação do endosporo.

Os endosporos podem permanecer dormentes por muito tempo. Por exemplo, endosporos foram encontrados nas tumbas dos faraós egípcios. Quando colocados em meio apropriado, em condições adequadas, eles puderam ser reativados. Em 1995, Raul Cano, da California Polytechnic State University, encontrou esporos bacterianos no intestino de uma abelha fossilizada presa no âmbar de uma árvore na República Dominicana. A abelha fossilizada em âmbar tinha cerca de 25 milhões de anos. Os esporos germinaram quando o âmbar foi aberto e o material do intestino da abelha foi extraído e colocado em meio nutriente. Depois que os esporos foram analisados ​​por microscopia, foi determinado que as células eram muito semelhantes ao Bacillus sphaericus, que é encontrado em abelhas na República Dominicana hoje.

Importância

Como um modelo simplificado para diferenciação celular , os detalhes moleculares da formação de endosporos foram amplamente estudados, especificamente no organismo modelo Bacillus subtilis . Esses estudos contribuíram muito para o nosso entendimento da regulação da expressão gênica , fatores de transcrição e as subunidades do fator sigma da RNA polimerase .

Endosporos da bactéria Bacillus anthracis foram usados ​​nos ataques de antraz de 2001 . O pó encontrado em cartas postais contaminadas consistia em endosporos de antraz. Essa distribuição intencional levou a 22 casos conhecidos de antraz (11 por inalação e 11 cutâneos). A taxa de letalidade entre os pacientes com antraz por inalação foi de 45% (5/11). Os outros seis indivíduos com antraz por inalação e todos os indivíduos com antraz cutâneo se recuperaram. Se não fosse pela terapia com antibióticos, muitos mais poderiam ter sido acometidos.

De acordo com documentos veterinários da OMS, B. anthracis esporula quando vê oxigênio em vez do dióxido de carbono presente no sangue de mamíferos; isso sinaliza para a bactéria que atingiu o fim do animal, e uma morfologia dispersável inativa é útil.

A esporulação requer a presença de oxigênio livre. Na situação natural, isso significa que os ciclos vegetativos ocorrem dentro do ambiente de baixo oxigênio do hospedeiro infectado e, dentro do hospedeiro, o organismo está exclusivamente na forma vegetativa. uma vez fora do hospedeiro, a esporulação começa com a exposição ao ar e as formas de esporos são essencialmente a fase exclusiva no ambiente.

Biotecnologia

Os esporos de Bacillus subtilis são úteis para a expressão de proteínas recombinantes e, em particular, para a exibição da superfície de peptídeos e proteínas como uma ferramenta para pesquisa fundamental e aplicada nos campos da microbiologia, biotecnologia e vacinação.

Bactéria formadora de endosporo

Exemplos de bactérias formadoras de endosporos incluem os gêneros:

Veja também

Referências

links externos