Endospoor

Endospoorid on grampositiivsete bakterite uinunud, vastupidavad ja mittepaljunevad struktuurid. Neid moodustavad peamiselt Firmicutese hõimkonna bakterid. Nimetus "endospoor" tuleb kreekakeelsetest sõnadest endon ja spora. Endon tähendab millegi sees olema ja spora tähendab seemnesarnast vormi. Endospooride moodustumist põhjustab enamasti toitainete nappus. Endospoorid suudavad ellu jääda keskkonnas, kus toitained puuduvad. Nad on erakordselt vastupidavad ka muudele ebasoodsatele keskkonnatingimustele, näiteks UV-kiirgusele, kuivusele, kõrgele temperatuurile, väga madalale temperatuurile ja desinfitseerivatele ainetele. Tavalised antibakteriaalsed ained, mis hävitavad vegetatiivsete rakkude seinu, endospoore ei kahjusta. Endospoorid võimaldavad bakteritel olla uinunud olekus sajandeid, isegi miljoneid aastaid. Kui keskkonnatingimused muutuvad uuesti soodsaks, suudab endospoor taas ennast muuta aktiivseks paljunemisvõimeliseks rakuks. Endospoorid sisaldavad bakteriaalset DNA-d, ribosoome ja suurel hulgal dipikoliinhapet. Dipikoliinhape on spoori-spetsiifiline keemiline aine, mis aitab endospooridel end hoida soikeseisundis. See kemikaal moodustab ligi 10% spoori kuivkaalust. Kõige rohkem leidub endospoore vees ja mullas. Erinevad mikroorganismid võivad moodustada keskkonnatingimuste halvenedes spoore või tsüste, kuid endospoorid on neis ebasoodsates tingimustes kõige resistentsemad. Endospoore moodustavatel grampositiivsetel bakteritel on väike G+C sisaldus (guaniini ja tsütosiini paare on DNA-s vähe võrreldes adeniini ja tümiini paaridega). Bakterid moodustavad endospoore enda sees. Spoorid on ümbritsetud õhukese kihiga ehk eksiiniga. Eksiini all paikneb paks valguline ’’spoorimantel’’ ehk eksospoorium, mis on läbitungimatu mitmetele suurtele toksilistele molekulidele. See kest on peamiselt üles ehitatud valgujääkidest. Lisaks paiknevad seal ka ensüümid, mis on bakteri arengu käigus tekkinud. Spoori kesta all asub korteks (koor, koorik), mis koosneb peptidoglükaanist. Korteks tagab resistentsuse ekstreemsetes kliimatingimustes. Neljanda kihina paikneb korteksi all tuuma sein, mis ümbritseb endospoori tuuma ehk protoblasti. Tuuma sein sisaldab kromosomaalset DNA-d, mida ümbritsevad kromatiinisarnased valgud ehk SASP-d (inglise: small acid-soluble spore proteins). Lisaks sisaldab tuuma sein ribosoome ja teisi ensüüme, kuid nad ei ole metaboolselt aktiivsed. Kaltsium-dipikolinaat moodustab kuni 15% endospooride kuivmassist. Dipikoliinhape ja kaltsium kaitsevad spoori kuuma eest ning viimane neist ka oksüdeerivate ühendite eest. Siiski on leitud mutante, mis on kuuma resistentsed, kuid ei sisalda dipikoliinhapet. See tähendab, et endospooridel peab lisaks olema muid mehhanisme, mis tagavad kuuma resistentsuse. Selleks võivad olla väikesed happes lahustuvad spoori valgud (SASP-id), mis seovad tihedalt ja kondenseerivad DNA. Nii on DNA kaitstud UV-kiirguse ja kahjulike kemikaalide eest. Endospooride diameeter võib olla sama, mis on (vanem)rakul, kuid ta võib olla ka suurem või väiksem. Endospooride paigutus vegetatiivses rakus võib varieeruda liigiti. Seetõttu saab kasutada endospooride paigutust ka erinevate liikide tuvastamisel. Peamised tüübid on terminaalne, subterminaalne ja tsentraalne asetus. Terminaalse asetuse puhul paikneb endospoor raku poolusel, tsentraalse paigutuse puhul raku keskel. Subterminaalne endospoor asub pooluse ja tsentri vahepeal. Vahel harva esineb ka lateraalset asetust – endospoor paikneb vegetatiivse raku pinna lähedal. Endospooride resistentsuse tõttu ei suuda värvid tavalistes tingimustes läbida spoorimantlit. Nii ei värvu spoorid Grami järgi ja eristada saab neid ainult siis, kui spoor on veel rakuga seotud. Endospoori värvimiseks kasutatakse nõrka katioonset värvi, malahhiitrohelist, mis termilise töötlusega viiakse endospoori ja hiljem eemaldub tsütoplasmast kergesti veega pestes. Seejärel teostatakse täiendvärvimine safraniiniga, misjärel on näha sporangiumi punaka tsütoplasma taustal olevat malahhiitrohelist endospoori (Schaeffer-Fultoni meetod). Mugavaks ja kiireks endospooride avastamise viisiks on ka rakkude uurimine faaskontrastmikroskoobis. Endospoorid moodustuvad enamasti olukorras, kui keskkonnas pole piisavalt toitaineid (eriti süsiniku ja lämmastiku puudusel). Seda protsessi nimetatakse sporulatsiooniks ehk sporogeneesiks. Sporulatsioon võib kesta tunde. DNA kahekordistub ja seejärel moodustub teljesuunaline tuumakiud. Sellele järgneb raku seesmise membraani kokkuvoltimine, mis ümbritseb osa DNA-st, ja tekib spoori alge. Edasi toimub teise membraani kasv, mis matab enda alla spoori alge. Järgnevalt täidab korteks kahe membraani vahele jääva ruumi ning sinna kuhjuvad kaltsium ja dipikoliinhape. Seejärel moodustub valgukiht ümber korteksi. Sporulatsiooni viimastel etappidel kaotab moodustuv endospoor suurema osa veest. Kui sporulatsioon on lõppenud, lõhustavad lüütilised ensüümid raku kesta ja endospoor vabaneb väliskeskkonda. Endospoorid on resistentsed paljude tegurite suhtes, mis tavaliselt tapaksid vegetatiivsed rakud, millest nad moodustunud on. Paljud majapidamises leiduvad puhastusvahendid ei mõjuta endospoore. Ainukesed efektiivsed vahendid endospooride hävitamiseks on pesuvalgendaja või alküülivad ühendid (näiteks etüleenoksiid). Spooride tapmiseks tuleks majapidamises leiduv pesuvalgendaja lahjendada veega 1:10 (100 ml valgendajat 900 ml vees) ning seejärel hoida saadud lahust 5 minutit endospooride peal. Ainult väga väike murdosa spooridest suudab ellu jääda kauemaks kui 10 minutit. Valgendaja kontsentratsiooni tõstmine lahuses ei muuda spooride tapmist efektiivsemaks, vaid vastupidi. Osad bakteritüübid võivad kõrgema kontsentratsiooni korral kobarasse kokku koonduda ning seeläbi ellu jääda. Pesuvalgendaja koostises olevad endospoore hävitavad ühendid on fenool ja glutaaraldehüüd. Endospoore saab hävitada ka põletades või autoklaavimisega. Endospoorid võivad olla tunde keevas vees (100 °C), ilma et nendega midagi juhtuks. Kulub palju aega, enne kui nad lõpuks surema hakkavad. Endospoore saab hävitada ka kaudselt. Selleks tuleb nad panna keskkonda, kus nad taas aktiveeruksid ja vegetatiivsesse olekusse läheksid. Idanemine võtab sobivates keskkonnatingimustes aega üks-kaks päeva. Vegetatiivses olekus on bakterirakud taas haavatavad ekstreemsetele keskkonnatingimustele. Pikaajaliselt ioniseeriva kiirgusega (näiteks röntgen- või gammakiirgusega) töötlemine hävitab samuti endospoore. Bakteriaalsed endospoorid on resistentsed antibiootikumide, paljude desinfitseerimisainete ja teatud füüsikaliste tegurite, näiteks kiirguse, keemise ja kuivuse suhtes. Endospooride vastupidavus tuleneb mitmest tegurist: Kaltsium-dipikolinaat stabiliseerib ja kaitseb endospoori DNA-d. Väikesed happes lahustuvad valgud ehk SASP-id (small acid- soluble proteins) küllastavad endospooride DNA-d ning seeläbi kaitsevad seda kuuma, kuivuse, kemikaalide ja kiirguse eest. SASP-id on ka süsiniku ja energia allikaks endospoori idanemisel. Korteks võib osmootselt eraldada vee protoplastist. Mida väiksem on veesisaldus endospooris, seda vastupidavam on ta kuumusele ja kiirgusele. Endospoorides on olemas DNA-d parandavad ensüümid, mis muutuvad aktiivseks, kui endospoor idaneb. Endospoorid reaktiveeruvad, kui keskkonnatingimused on taas soodsaks muutunud. Bakteriraku taasmoodustumine endospoorist koosneb kolmest etapist: aktiveerimine, idanemine ja väljakasv. Isegi kui keskkonnas on piisavalt toitaineid, ei hakka endospoor kohe idanema. Teda tuleb enne millegagi aktiveerida. Selleks võib olla näiteks soojus. Idanemine hõlmab spoori kesta rebenemist, spoori paisumist, komponentide vabanemist, metaboolse aktiivsuse kasvu ning resistentsuse kadumist ekstreemsete keskkonnatingimuste suhtes. Idanemisele järgneb väljakasv. Spoori protoplastis tekivad uued komponendid ja spoori kestast väljuvad ülejäänud ühendid. Spoori kest asendub funktsionaalse vegetatiivse raku kestaga. Areneb välja uus bakterirakk, mis on võimeline paljunema. Endospoorides on viis korda rohkem väävlit kui vegetatiivsetes rakkudes. Üleliigne väävel on talletatud spoori kesta aminohappena – tsüsteiinina. Tsüsteiin hoiab S-S aheldustega spoori kestas olevaid valke kokkupakituna. Kui need aheldused lagunevad, hakkavad valgud ennast lahti pakkima. Valkude lahti pakkimisel paljastatakse aktiivsed ensümaatilised saidid. Need saidid on tähtsad endospoori idanemisel. Puhkeseisund C.Michael Hogan "Bacteria" (2010). Encyclopedia of Earth. eds. Sidney Draggan and C.J. Cleveland, National Council for Science and the Environment, Washington DC Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. Endospores. Microbiology: An introduction (11th edition). Pearson Publishing (2012). Lk 96. ISBN 0321802993. BBC Staff "Impacts 'more likely' to have spread life from Earth" (2011). "Impacts 'more likely' to have spread life from Earth". BBC. 23. august 2011. Cornell University College of Agriculture and Life Sciences, Department of Microbiology "Bacterial Endospores". http://micro.cornell.edu/research/epulopiscium/bacterial-endospores Prescott, L. (1993). Microbiology, Wm. C. Brown Publishers, ISBN 0-697-01372-3. Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. (2012). Endospores. Microbiology: An introduction (11th edition). Pearson Publishing. Lk 97. ISBN 0321802993. Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. (2009). Special stains. Microbiology: An introduction (10th edition). Benjamin Cummings. Lk 104. ISBN 0-321-55007-2. Eeva Heinaru, Eve Vedler. (2011). Fikseeritud preparaatide uurimine. Praktilisi töid mikrobioloogiast. Tartu Ülikool. Lk 19 (1). Heninger, Sara; Christine A. Anderson; Gerald Beltz; Andrew B. Onderdonk (1. jaanuar 2009). "Decontamination of Bacillus anthracis Spores: Evaluation of Various Disinfectants". Appl Biosaf. 14 (1): 7–10. PMC 2957119. PMID 20967138. Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. (2012) Endospores. Microbiology: An introduction (11th edition). Pearson Publishing. Lk 183, 185, 189. ISBN 0321802993. Lansing M. Prescott, John P. Harley, Donald A. Klein. (2002) The Bacterial Endospore. Microbiology 5th edition. McGraw-Hill Higher Education. Lk 69- 71. ISBN 0072320419. Keynan, A., Evenchik, Z., Halvorson, H. O., & Hastings, J. W. (1964). Activation of bacterial endospores. Journal of bacteriology, 88(2), 313–318. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC277301/