Endospora

Una endospora es una estructura latente, resistente y no reproductiva producida por algunas bacterias del filo Bacillota. El nombre "endospora" sugiere una espora o forma similar a una semilla (endo significa 'dentro'), pero no es una verdadera espora (es decir, no es una descendencia). Es una forma latente y simplificada a la que la bacteria puede reducirse. La formación de endosporas generalmente se desencadena por la falta de nutrientes y generalmente ocurre en bacterias grampositivas. En la formación de endosporas, la bacteria se divide dentro de su pared celular y un lado engulle al otro. Las endosporas permiten que las bacterias permanezcan inactivas durante períodos prolongados, incluso siglos. Hay muchos informes de esporas que permanecen viables durante 10,000 años, y se ha afirmado el renacimiento de esporas de millones de años. Hay un informe de esporas viables de Bacillus marismortui en cristales de sal de aproximadamente 250 millones de años. Cuando el ambiente se vuelve más favorable, la endospora puede reactivarse en un estado vegetativo. La mayoría de los tipos de bacterias no pueden cambiar a la forma de endosporas. Ejemplos de especies bacterianas que pueden formar endosporas incluyen Bacillus cereus, Bacillus anthracis, Bacillus thuringiensis, Clostridium botulinum y Clostridium tetani.

La endospora está formada por el ADN de la bacteria, los ribosomas y grandes cantidades de ácido dipicolínico. El ácido dipicolínico es una sustancia química específica de las esporas que parece ayudar en la capacidad de las endosporas para mantener la latencia. Este químico representa hasta el 10% del peso seco de la espora.

Las endosporas pueden sobrevivir sin nutrientes. Son resistentes a la radiación ultravioleta, la desecación, las altas temperaturas, la congelación extrema y los desinfectantes químicos. Ferdinand Cohn planteó por primera vez las endosporas termorresistentes después de estudiar el crecimiento de Bacillus subtilis en el queso después de hervirlo. Su idea de que las esporas son el mecanismo reproductivo para el crecimiento fue un duro golpe para las sugerencias anteriores de generación espontánea. El astrofísico Steinn Sigurdsson dijo: "Se han encontrado esporas bacterianas viables que tienen 40 millones de años en la Tierra, y sabemos que están muy endurecidas a la radiación". Los agentes antibacterianos comunes que actúan destruyendo las paredes celulares vegetativas no afectan las endosporas. Las endosporas se encuentran comúnmente en el suelo y el agua, donde pueden sobrevivir durante largos períodos de tiempo. Una variedad de diferentes microorganismos forman "esporas" o "quistes", pero las endosporas de las bacterias grampositivas con G+C bajo son, con mucho, las más resistentes a las condiciones adversas.

Algunas clases de bacterias pueden convertirse en exosporas, también conocidas como quistes microbianos, en lugar de endosporas. Las exosporas y las endosporas son dos tipos de "hibernación" o estados latentes observados en algunas clases de microorganismos.

Ciclo de vida de las bacterias

El ciclo de vida bacteriano no incluye necesariamente la esporulación. La esporulación generalmente se desencadena por condiciones ambientales adversas, para ayudar a la supervivencia de la bacteria. Las endosporas no muestran signos de vida y, por lo tanto, pueden describirse como criptobióticas. Las endosporas retienen la viabilidad indefinidamente y pueden germinar en células vegetativas bajo las condiciones apropiadas. Las endosporas han sobrevivido miles de años hasta que los estímulos ambientales desencadenan la germinación. Se han caracterizado como las células más duraderas producidas en la naturaleza.

Estructura

Las bacterias producen una sola endospora internamente. La espora a veces está rodeada por una cubierta delgada conocida como exosporium, que cubre la cubierta de la espora. La cubierta de esporas, que actúa como un tamiz que excluye moléculas tóxicas grandes como la lisozima, es resistente a muchas moléculas tóxicas y también puede contener enzimas que intervienen en la germinación. En las endosporas de Bacillus subtilus, se estima que la cubierta de esporas contiene más de 70 proteínas de cubierta, que se organizan en una capa de cubierta interna y otra externa. El patrón de difracción de rayos X de B purificado. subtilis indica la presencia de un componente con una estructura periódica regular, que Kadota e Iijima especularon que podría estar formado a partir de una proteína similar a la queratina. Sin embargo, después de más estudios, este grupo concluyó que la estructura de la proteína de la cubierta de esporas era diferente de la queratina. Cuando el B. Se secuenció el genoma de subtilis, no se detectó ningún ortólogo de queratina humana. La corteza se encuentra debajo de la capa de esporas y consiste en peptidoglicano. La pared central se encuentra debajo de la corteza y rodea el protoplasto o núcleo de la endospora. El núcleo contiene el ADN cromosómico de la espora que está encerrado en proteínas similares a la cromatina conocidas como SASP (pequeñas proteínas de esporas solubles en ácido), que protegen el ADN de las esporas de la radiación ultravioleta y el calor. El núcleo también contiene estructuras celulares normales, como ribosomas y otras enzimas, pero no es metabólicamente activo.

Hasta el 20 % del peso seco de la endospora consiste en dipicolinato de calcio dentro del núcleo, que se cree que estabiliza el ADN. El ácido dipicolínico podría ser responsable de la resistencia al calor de la espora, y el calcio podría ayudar en la resistencia al calor ya los agentes oxidantes. Sin embargo, se han aislado mutantes resistentes al calor pero que carecen de ácido dipicolínico, lo que sugiere que también intervienen otros mecanismos que contribuyen a la resistencia al calor. Las pequeñas proteínas solubles en ácido (SASP) se encuentran en las endosporas. Estas proteínas se unen fuertemente y condensan el ADN, y son en parte responsables de la resistencia a la luz ultravioleta y a los químicos que dañan el ADN.

La visualización de las endosporas al microscopio óptico puede resultar difícil debido a la impermeabilidad de la pared de las endosporas a los tintes y las manchas. Mientras que el resto de una célula bacteriana puede teñirse, la endospora queda incolora. Para combatir esto, se utiliza una técnica de tinción especial llamada tinción de Moeller. Eso permite que la endospora se muestre roja, mientras que el resto de la célula se tiñe de azul. Otra técnica de tinción para endosporas es la tinción de Schaeffer-Fulton, que tiñe las endosporas de verde y los cuerpos bacterianos de rojo. La disposición de las capas de esporas es la siguiente:

• Exosporio
• Funda de esponja
• Corteza esporádica
• Muro básico

Ubicación

La posición de la endospora difiere entre especies bacterianas y es útil en la identificación. Los tipos principales dentro de la célula son endosporas terminales, subterminales y ubicadas en el centro. Las endosporas terminales se ven en los polos de las células, mientras que las endosporas centrales están más o menos en el medio. Las endosporas subterminales son aquellas entre estos dos extremos, generalmente se ven lo suficientemente lejos hacia los polos pero lo suficientemente cerca del centro para no ser consideradas terminales o centrales. Ocasionalmente se ven endosporas laterales.

Ejemplos de bacterias que tienen endosporas terminales incluyen Clostridium tetani, el patógeno que causa la enfermedad del tétanos. Las bacterias que tienen una endospora situada en el centro incluyen Bacillus cereus. A veces, la endospora puede ser tan grande que la célula puede distenderse alrededor de la endospora. Esto es típico de Clostridium tetani.

Formación y destrucción

En condiciones de inanición, especialmente la falta de fuentes de carbono y nitrógeno, se forma una sola endospora dentro de algunas de las bacterias a través de un proceso llamado esporulación.

Cuando una bacteria detecta que las condiciones ambientales se están volviendo desfavorables puede iniciar el proceso de endosporulación, que dura unas ocho horas. El ADN se replica y una pared de membrana conocida como tabique de esporas comienza a formarse entre este y el resto de la célula. La membrana plasmática de la célula rodea esta pared y se pellizca para dejar una doble membrana alrededor del ADN, y la estructura en desarrollo ahora se conoce como forespora. El dipicolinato de calcio, la sal de calcio del ácido dipicolínico, se incorpora a la espora durante este tiempo. El ácido dipicolínico ayuda a estabilizar las proteínas y el ADN en la endospora. A continuación, se forma la corteza de peptidoglicano entre las dos capas y la bacteria agrega una capa de esporas al exterior de la preespora. En las etapas finales de la formación de endosporas, las endosporas recién formadas se deshidratan y se dejan madurar antes de ser liberadas de la célula madre. La corteza es lo que hace que la endospora sea tan resistente a la temperatura. La corteza contiene una membrana interna conocida como núcleo. La membrana interna que rodea este núcleo conduce a la resistencia de la endospora contra la luz ultravioleta y los productos químicos agresivos que normalmente destruirían los microbios. La esporulación ahora está completa y la endospora madura se liberará cuando la célula vegetativa circundante se degrade.

Las endosporas son resistentes a la mayoría de los agentes que normalmente matarían las células vegetativas de las que se formaron. A diferencia de las células persistentes, las endosporas son el resultado de un proceso de diferenciación morfológica desencadenado por la limitación de nutrientes (inanición) en el medio ambiente; la endosporulación se inicia mediante la detección de quórum dentro del grupo "hambriento" población. La mayoría de los desinfectantes, como los productos de limpieza del hogar, los alcoholes, los compuestos de amonio cuaternario y los detergentes, tienen poco efecto sobre las endosporas. Sin embargo, los agentes alquilantes esterilizantes como el óxido de etileno (ETO) y la lejía al 10% son efectivos contra las endosporas. Para matar la mayoría de las esporas de ántrax, la lejía doméstica estándar (con hipoclorito de sodio al 10 %) debe estar en contacto con las esporas durante al menos varios minutos; una proporción muy pequeña de esporas puede sobrevivir más de 10 minutos en una solución de este tipo. Las concentraciones más altas de lejía no son más efectivas y pueden hacer que algunos tipos de bacterias se agreguen y, por lo tanto, sobrevivan.

Aunque son significativamente resistentes al calor y la radiación, las endosporas pueden destruirse quemándolas o introduciéndolas en autoclave a una temperatura superior al punto de ebullición del agua, 100 °C. Las endosporas son capaces de sobrevivir a 100 °C durante horas, aunque cuanto mayor sea el número de horas menos sobrevivirán. Una forma indirecta de destruirlos es colocarlos en un ambiente que los reactive a su estado vegetativo. Germinarán en uno o dos días con las condiciones ambientales adecuadas, y luego las células vegetativas, que no son tan resistentes como las endosporas, pueden destruirse directamente. Este método indirecto se llama tyndallization. Fue el método habitual durante un tiempo a fines del siglo XIX antes de la introducción de autoclaves económicos. La exposición prolongada a la radiación ionizante, como los rayos X y los rayos gamma, también matará a la mayoría de las endosporas.

Las endosporas de ciertos tipos de bacterias (normalmente no patógenas), como Geobacillus stearothermophilus, se utilizan como sondas para verificar que un elemento esterilizado en autoclave se ha vuelto realmente estéril: una pequeña cápsula que contiene el las esporas se colocan en el autoclave con los artículos; después del ciclo, se cultiva el contenido de la cápsula para verificar si crecerá algo. Si no crece nada, entonces las esporas fueron destruidas y la esterilización fue exitosa.

En los hospitales, las endosporas de los instrumentos invasivos delicados, como los endoscopios, se eliminan con esterilizadores de óxido de etileno no corrosivos y de baja temperatura. El óxido de etileno es el único esterilizante a baja temperatura que detiene los brotes en estos instrumentos. Por el contrario, la "desinfección de alto nivel" no mata las endosporas, pero se usa para instrumentos como un colonoscopio que no ingresa a las cavidades corporales estériles. Este último método utiliza solo agua tibia, enzimas y detergentes.

Las endosporas bacterianas son resistentes a los antibióticos, la mayoría de los desinfectantes y agentes físicos como la radiación, la ebullición y el secado. Se cree que la impermeabilidad de la capa de esporas es responsable de la resistencia de las endosporas a los productos químicos. La resistencia al calor de las endosporas se debe a una variedad de factores:

• El dipicolinato de calcio, abundante dentro del endospore, puede estabilizarse y proteger el ADN del endospore.
• Las pequeñas proteínas solubles en ácido saturan el ADN del endospore y lo protegen del calor, el secado, los químicos y la radiación. También funcionan como fuente de carbono y energía para el desarrollo de una bacteria vegetativa durante la germinación.
• La corteza puede osmotically remove water from the interior of the endospore and the dehydration that results is thought to be very important in the endospore's resistance to heat and radiation.
• Finalmente, las enzimas de reparación de ADN contenidas en el endospore son capaces de reparar el ADN dañado durante la germinación.

Reactivación

La reactivación de la endospora ocurre cuando las condiciones son más favorables e involucra activación, germinación y crecimiento. Incluso si una endospora se encuentra en abundantes nutrientes, es posible que no germine a menos que se haya activado. Esto puede desencadenarse calentando la endospora. La germinación implica que la endospora inactiva inicie la actividad metabólica y, por lo tanto, rompa la hibernación. Se caracteriza comúnmente por la ruptura o absorción de la cubierta de esporas, hinchazón de la endospora, aumento de la actividad metabólica y pérdida de resistencia al estrés ambiental.

El crecimiento sigue a la germinación e implica que el núcleo de la endospora fabrique nuevos componentes químicos y salga de la vieja cubierta de esporas para convertirse en una célula bacteriana vegetativa completamente funcional, que puede dividirse para producir más células.

Las endosporas poseen cinco veces más azufre que las células vegetativas. Este exceso de azufre se concentra en las cubiertas de esporas como un aminoácido, cisteína. Se cree que la macromolécula responsable de mantener el estado latente tiene una cubierta proteica rica en cistina, estabilizada por enlaces S-S. Una reducción en estos enlaces tiene el potencial de cambiar la estructura terciaria, causando que la proteína se despliegue. Se cree que este cambio conformacional en la proteína es responsable de exponer los sitios enzimáticos activos necesarios para la germinación de endosporas.

Las endosporas pueden permanecer latentes durante mucho tiempo. Por ejemplo, se encontraron endosporas en las tumbas de los faraones egipcios. Cuando se colocaron en un medio apropiado, en las condiciones apropiadas, pudieron reactivarse. En 1995, Raúl Cano de la Universidad Estatal Politécnica de California encontró esporas bacterianas en el intestino de una abeja fosilizada atrapada en ámbar de un árbol en la República Dominicana. La abeja fosilizada en ámbar data de unos 25 millones de años. Las esporas germinaron cuando se abrió el ámbar y se extrajo el material del intestino de la abeja y se colocó en un medio nutritivo. Después de que las esporas fueran analizadas por microscopía, se determinó que las células eran muy similares al Bacillus sphaericus que se encuentra en las abejas en la República Dominicana hoy.

Importancia

Como modelo simplificado para la diferenciación celular, los detalles moleculares de la formación de endosporas se han estudiado ampliamente, específicamente en el organismo modelo Bacillus subtilis. Estos estudios han contribuido mucho a nuestra comprensión de la regulación de la expresión génica, los factores de transcripción y las subunidades del factor sigma de la ARN polimerasa.

En los ataques de ántrax de 2001 se utilizaron endosporas de la bacteria Bacillus anthracis. El polvo encontrado en las cartas postales contaminadas consistía en endosporas de ántrax. Esta distribución intencional condujo a 22 casos conocidos de ántrax (11 por inhalación y 11 cutáneos). La tasa de letalidad entre los pacientes con ántrax por inhalación fue del 45 % (5/11). Los otros seis individuos con ántrax por inhalación y todos los individuos con ántrax cutáneo se recuperaron. Si no hubiera sido por la terapia con antibióticos, muchos más podrían haber sido afectados.

Según documentos veterinarios de la OMS, B. anthracis esporula cuando ve oxígeno en lugar del dióxido de carbono presente en la sangre de los mamíferos; esto le indica a la bacteria que ha llegado al final del animal, y es útil una morfología dispersable inactiva.

La esporulación requiere la presencia de oxígeno libre. En la situación natural, esto significa que los ciclos vegetativos ocurren dentro del ambiente bajo en oxígeno del huésped infectado y, dentro del huésped, el organismo se encuentra exclusivamente en forma vegetativa. Una vez fuera del huésped, la esporulación comienza con la exposición al aire y las formas de esporas son esencialmente la fase exclusiva en el medio ambiente.

Biotecnología

Las esporas de Bacillus subtilis son útiles para la expresión de proteínas recombinantes y, en particular, para la visualización superficial de péptidos y proteínas como herramienta para la investigación fundamental y aplicada en los campos de la microbiología, la biotecnología y la vacunación.

Bacterias formadoras de endosporas

Ejemplos de bacterias formadoras de endosporas incluyen los géneros: