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Viele grampositive Bakterien (vor allem Firmicutes) sind in der Lage, sich zu sporulieren, um unter widrigen Bedingungen zu überleben. Sporen sind kleine, kugelförmige (0,2 µm), metabolisch ruhende und sehr widerstandsfähige Strukturen, die extremen Bedingungen widerstehen können, darunter: hohe Temperaturen, Austrocknung, extremer pH-Wert, chemische Desinfektion, ultraviolettes Licht und Aerobiose [2,3]. Sporen werden als Bedrohung für die menschliche Gesundheit wahrgenommen, da sie den Verderb von Lebensmitteln und lebensmittelbedingte Krankheiten verursachen können, sowie aufgrund ihrer pathologischen Fähigkeiten (z. B. Botulismus) und der Bedrohung durch Bioterrorismus - Anthrax [1,6].
Eine vegetative Zelle wird durch raue Umweltbedingungen zur Sporenbildung angeregt, die mit der Bildung einer Vorspore beginnt, gefolgt von der Verschlingung durch die Mutterzelle zur Bildung der Endospore. Dieser Prozess wird durch sporulationsspezifische Sigma-(σ)-Faktoren in Bacillales und Clostridiales aktiviert und reguliert, aber es gibt deutliche Unterschiede zwischen den Abläufen in diesen beiden Ordnungen [3,6]. Die Struktur einer Spore besteht aus mehreren Komponenten. Das Kernzentrum enthält DNA, die durch kleine säurelösliche Proteine (SASPs) geschützt ist, und weist aufgrund der Anhäufung von Dipicolinsäure (DPA) und Ca2+ einen geringen Wassergehalt auf [1]. Der Kern ist von einer wenig durchlässigen inneren Membran, einer Keimzellwand, einem Peptidoglykan-Kortex, mehreren Proteinhüllen und bei einigen Arten von einem Exosporium umgeben [1]. Das Exosporium von Bacillus und Clostridium spp. besteht aus Proteinen und Lipiden, die in einer kristallinen Basalschicht angeordnet sind. Bei Bacillus cereus beispielsweise wird das Exosporium hauptsächlich von den beiden cysteinreichen Proteinen CotY und ExsY gebildet [4]. Die Form und Dicke des Exosporiums variiert von Bakterienart zu Bakterienart. Bei Bacillus anthracis ist das Exosporium dünn und locker, das Exosporium von Clostridium sordellii weist eine glatte, ballonartige Struktur auf, und die Sporen beider Gattungen (und einiger anderer) besitzen äußere haarartige oder piliartige Strukturen [3]. Diese Endosporenanhängsel (Enas) wurden an den Sporen von B. cereus mit zwei unterschiedlichen Morphologien beschrieben, die als S-Ena (längere und dickere Fasern) und L-Ena-Anhängsel (kürzere und dünnere Fasern) bezeichnet werden [5]. Die Rolle dieser Strukturen ist nicht bei allen Spezies vollständig geklärt, aber die Adhäsion an Oberflächen und Wirtszellen ist ein wesentlicher Bestandteil des Zellüberlebens und des Infektionsprozesses. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass Enas die zelluläre Autoaggregation verstärken und die Biofilmbildung unterstützen könnten oder durch Adhäsion an Lebensmitteln oder der Umwelt eine Rolle bei der Übertragung auf einen neuen Wirt spielen [3,5].
Die Sporenkeimung wird durch äußere Reize ausgelöst, und die Identifizierung dieser spezifischen Keimstoffe, wie L-Alanin, Glukose und Dodecylamin [1], wurde in den letzten 50 Jahren intensiv erforscht. Die Keimstoffe binden sich an die Keimstoffrezeptoren (GR), die sich auf der inneren Membran befinden, und bewirken die rasche Freisetzung von DPA und Ca2+ durch innere Membrankanäle, die Hydrolyse des Kortex und die Aufnahme von Wasser durch die Spore, um das Auswachsen zu einer metabolisch aktiven Zelle zu erreichen [6].
Ein Forscherteam der Universität Nottingham [7] hat kürzlich untersucht, wie Sporen zur Bekämpfung von pathogenen Clostridioides difficile im menschlichen Darm eingesetzt werden können. Sie haben einen oralen Impfstoff aus nicht-toxigenen C. difficile-Sporen entwickelt und im Tiermodell erprobt. Dabei stellte sich heraus, dass der Impfstoff eine Antikörper-vermittelte Immunantwort auslöste, die das Anhaften von toxigenem C. difficile an der Darmepithelschleimhaut deutlich verringerte [7]. Die Clostridium-Stämme für ihre Experimente wurden in einer Whitley Anaerobic Workstation gezüchtet.
Weitere Informationen zur Erforschung von Clostridien finden Sie in unserem jüngsten Webinar "Toxigene Clostridien in Mensch und Umwelt" oder in einem anderen unserer Artikel "Clostridium ssp. und Clostridioides difficile: Virulenzfaktoren im Visier".
Geschrieben von DWS-Mikrobiologin Charlotte Austin
Referenzen
- Delbrück A., Zhang Y., Heydenreich R., Mathys A. (2021) Bacillus spore germination at moderate high pressure: Ein Überblick über die zugrundeliegenden Mechanismen, Einflussfaktoren und der Vergleich mit der Nährstoffkeimung. Comprehensive reviews in food science and food safety
- Osman Erkmen (2021) Laboratory practices in Microbiology. 1. Auflage Elsevier Science
- Portinha I., Douillard F., Korkeala H, Lindström M. (2022) Sporulation Strategies and Potential Role of the Exosporium in Survival and Persistence of Clostridium botulinum. Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften
- Lablaine A., Serrano M., Bressuire-Isoard C., Chamot S., Bornard I., Carlin F., Henriques A., Broussolle V. (2021) Das morphogenetische Protein CotE positioniert die Exosporium-Proteine CotY und ExsY während der Sporulation von Bacillus cereus. mSphere
- Nilsson D., Jonsmoen U., Malyshev D., Oberg R., Wiklund K., Andersson M. (2022) Physikalisch-chemische Charakterisierung einzelner Bakterien und Sporen mit optischen Pinzetten. BioRxiv
- Christie G., Setlow P. (2020) Bacillus spore germination: Bekanntes, Unbekanntes und was wir noch lernen müssen. Zelluläre Signalübertragung
- Hughes J., Aston C., Kelly M., Griffin R. (2022) Towards Development of a Non-Toxigenic Clostridioides difficile Oral Spore Vaccine against Toxigenic C. difficile. Pharmazie