Институт Медицинской Климатологии
Покоящиеся формы микроорганизмов.

Некоторые прокариотические организмы в ответ на изменение внешних условий способны переходить в стадию покоя. Среди прокариот распространены такие покоящиеся формы, как эндоспоры и цисты. Формирование эндоспор характерно для представителей нескольких родов грамположительных бактерий (Bacillus, Sporolactobacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina, Thermoactinomyces), которые имеют толстую клеточную стенку грамположительного типа, что, вероятно, необходимо для спорообразования. Эндоспоры чрезвычайно устойчивы к исчерпанию питательных веществ, нагреванию, облучению, действию химических соединений и высушиванию. В природе образование спор помогает клеткам избегать гибели при истощении субстрата или высушивании, воздействии радиации или химических веществ. Известны факты о сохранении жизнеспособности эндоспор Bacillus anthracis (бацилл сибирской язвы) в течение 500 лет и спор термоактиномицетов — до 7500 лет. Удалось прорастить даже эндоспоры Bacillus cereus из кишечника древней пчелы из куска янтаря, возраст которого 25—30 млн лет.

Борьба со спорами играет важную роль в пищевой, медицинской и промышленной микробиологии, поскольку многие спорообразующие бактерии являются возбудителями опасных заболеваний. Некоторые споры выдерживают кипячение в течение часа и более, поэтому для стерилизации растворов и инструмента применяют более жесткие и длительные способы воздействия антимикробных факторов (например, автоклавирование с температурой стерилизации 121°С и длительностью 1,5—3 ч). Спорообразование привлекает внимание исследователей и с фундаментальной точки зрения как простая одноклеточная модель клеточной дифференциации.

Обычно в клетке образуется одна эндоспора, однако, известны случаи формирования до 5 спор в одной бактериальной клетке. Эндоспоры хорошо просматриваются в клетках при помощи светового или электронного микроскопов. Непроницаемые для многих видов красителей, они наблюдаются как неокрашенные тельца на фоне прокрашенного остального содержимого клетки. Существуют и специальные методы дифференциальной окраски спор, позволяющие отчетливо различить в световой микроскоп окрашенную в синий цвет спору на фоне окрашенной в розовый цвет цитоплазмы. В материнских клетках (или спорангиях) споры различной формы (круглой или овальной) могут располагаться по-разному (центрально, терминально, субтерминально). Иногда образовавшаяся спора столь велика, что расширяет спорангий в середине или с одного конца. Различают три основных типа спорообразования: бациллярный, клостридиальный и плектридиальный.

Этот признак часто используют при идентификации спорообразующих культур микроорганизмов. В активно спорующейся культуре почти все клетки образуют споры. Споры имеют гладкую или шероховатую поверхность, бывают круглой или овальной формы. Электронно-микроскопические исследования показали, что структура эндоспор довольно сложна. Снаружи спора покрыта тонким экзоспориумом. За ним (по направлению к центру споры) лежит многослойная толстая белковая оболочка споры, практически не проницаемая для химических веществ. Из-за этого эндоспоры обладают существенной устойчивостью к дезинфектантам. Интересно, что энтеротоксин, образуемый Clostridium perfringens только при спорообразовании, серологически близок белкам оболочки споры. За белковой оболочкой располагается кортекс, состоящий из пептидогликана, более рыхлого, чем в вегетативной клетке. Он может занимать до половины объема споры. Под кортексом лежит стенка ядра споры, окружающая протопласт (ядро споры). Ядро споры содержит нуклеоид, рибосомы и необходимые для начала роста вещества, запасенные в стабильной форме. Нестойкие и легко восполняемые компоненты в ядре споры отсутствуют.

Так, ядро споры включает хромосому и небольшие количества каждого компонента белоксинтезирующего механизма: рибосомы, тРНК, ферменты и сопутствующие белки. Два нестабильных компонента клеток, иРНК и нуклеозидтрифосфаты, отсутствуют, однако, есть запас более стабильных предшественников АТФ — АДФ и АМФ. Аминокислоты и ферменты их биосинтеза при прорастании споры легко восполняются путем гидролиза небольших запасных белков, составляющих до 20% от общего белка споры. Эти же запасные белки имеют дополнительную функцию связывания спо­ровой ДНК, поддерживая ее конформацию и повышая, таким образом, ее устойчивость к облучению. Энергия для восполнения отсутствующих ком­понентов может быть получена из стабильного 3-фосфоглицерата путем его конверсии в источник энергии и фосфата — фосфоенолпируват.

Высокую устойчивость эндоспор объясняют несколькими причинами. За счет снижения содержания воды в протопласте существенно замедля­ются все метаболические процессы. В дегидратации принимает участие кортекс, который осмотически вытягивает воду из протопласта. Этот про­цесс требует затрат значительного количества энергии. Показано, что дей­ствие пенициллина, нарушающее структуру кортекса, снижает степень обе­звоживания протопласта споры. Считают, что в терморезистентности спор главную роль играет кальциевая соль дипиколиновой кислоты, содержание которой в спорах может достигать 15%. Вегетативные клетки практически не содержат Са2+, и его активный транспорт начинается с началом спорообразования. Дипиколиновая кис­лота образуется в спорангии из диаминопиколиновой кислоты — предше­ственника пептидогликана. Са-дипиколинат локализован в ядре зрелой споры и может принимать участие в стабилизации споровых нуклеино­вых кислот. Однако мутанты В. megaterium, споры которых не содержали дипиколиновой кислоты, также были термоустойчивы. В спорах обнару­жены также небольшие кислоторастворимые белки, связывающие ДНК. Они окружают ДНК споры и защищают ее от повреждающих воздействий. Эти белки образуются из ферментов вегетативной клетки в результате ограниченного протеолиза, становясь при этом термостабильными. Дру­гие специфические ферменты, синтез которых индуцируется при споруляции, также термоустойчивы. Таким образом, высокая устойчивость спор зависит, по-видимому, от нескольких факторов: стабилизации ДНК Са-дипиколинатом и кислоторастворимыми белками, дегидратации про­топласта и др.

Споруляция (образование эндоспоры) происходит в несколько стадий. После удвоения генетического материала в материнской клетке ее содержимое претерпевает неравное деление. Меньшая клетка (преспора) обволакивается со всех сторон большей клеткой (спорангием) и оказыва­ется окруженной двойным мембранным слоем. Между этими мембранами формируются споровые оболочки. Сначала образуется кортекс и начина­ется накопление в споре Са-дипиколината. Затем вокруг кортекса закла­дываются белковые оболочки и экзоспориум. Когда синтез оболочек завершается, спора становится зрелой, увеличивается ее светопреломле­ние и термоустойчивость. Цикл спорообразования завершается лизисом спорангия и выходом зрелой споры. Споруляция обычно начинается при истощении питательных веществ в среде и длится от 7 до 10 ч (у В. subtilis и В. megaterium соответственно).

Прорастание споры в активную вегетативную клетку — не менее слож­ный процесс, чем спорообразование. Часто эндоспоры не прорастают даже в богатой среде без активации, которая может заключаться в слабом нагреве или воздействии ультразвуком. Активация заканчивается созрева­нием, т.е. нарушением состояния покоя споры. Процесс характеризуется набуханием споры, разрывом или поглощением экзоспориума, потерей устойчивости к нагреву и стрессам, утратой способности преломлять свет, увеличением метаболической активности. Многие обычные метаболиты, такие как аминокислоты и сахара, могут запускать процесс прорастания спор после их созревания. Протопласт споры образует новые компоненты, выходит из остатков споровых оболочек и формирует новую активную клетку бактерии. Некоторые прокариоты, а среди эукариотических микроорганизмов простейшие, образуют другой вид покоящихся форм — цисту.

Циста — это потерявшая подвижность клетка с утолщенной, ослизнен-ной оболочкой, устойчивая к высушиванию и перепадам температур. Метаболическая активность цисты значительно снижена. Образование цист характерно для азотфиксирующих свободноживущих микроорганиз­мов из рода Azotobacter, некоторых метанотрофов и олиготрофов. Цисты выполняют следующие основные функции: 1) защищают клетку от вредных воздействий окружающей среды, таких как истощение источ­ника питания, высушивание, неблагоприятное значение pH или низкое парциальное давление кислорода; 2) способствуют сохранению ДНК; 3) служат способом передачи инфекционного начала от хозяина к хозяину (у патогенных микроорганизмов).

Обычно прорастание цист в вегетативные клетки побуждается благо­приятными внешними условиями. Некоторые цисты паразитических про­стейших превращаются в активные трофозиготы, попадая в желудочно­кишечный тракт (ЖКТ) хозяина.

Добавить комментарий