Endóspora

Unha endóspora^[1] é unha estrutura dormente de resistencia e non reprodutora producida por certas bacterias grampositivas do filo Firmicutes.^[2][3] O nome "endóspora" indica que a espora se forma no interior da célula bacteriana (endo), pero, en realidade non é unha verdadeira espora (non produce descendencia), senón que é unha forma dormente básica (co metabolismo e estruturas reducidas) de resistencia que a célula bacteriana produce en certas circunstancias. Finalmente, a endóspora é expulsada e é o único que queda, xa que o resto da célula dexenera. A formación de endósporas está desencadeada pola falta de nutrientes. Na formación de endósporas, a bacteria divídese dentro da súa parede celular. As endósporas permiten que as bacterias permanezan dormentes durante longos períodos de tempo, nalgúns casos mesmo durante séculos. Informouse de casos de esporas de millóns de anos de antigüidade que foron revividas.^[4] Cando o ambiente é máis favorable, a endóspora pode reactivarse por si mesma e sofre unha transformación pasando ao estado vexetativo normal. A maioría dos tipos de bacterias non poden orixinar endósporas e tampouco o fai ningunha arquea. Exemplos importantes de bacterias que forman endósporas son Bacillus e Clostridium.^[5]

A endóspora consta dunha cuberta de varias capas, o ADN da bacteria, ribosomas e grandes cantidades de ácido dipicolínico. Este ácido é específico das endósporas e parece que axuda a que as endósporas manteñan a súa dormencia, e chega a constituír ata o 10% do peso seco.^[6]

As endósporas poden sobrevivir sen nutrientes. Son moi resistentes e poden soportar a radiación ultravioleta, o desecamento, altas temperaturas, conxelación extrema e desinfectantes químicos. A termorresistencia das endósporas foi suxerida primeiramente por Ferdinand Cohn despois de estudar o crecemento de Bacillus subtilis (na primeira imaxe) no queixo despois de ferver o queixo. A súa noción de que as esporas eran mecanismos reprodutivos foi un duro golpe para as ideas previas sobre xeración espontánea. O astrofísico Steinn Sigurdsson falando sobre a vida no espazo e a súa posible chegada á Terra no pasado dixo: "Atopáronse esporas bacterianas viables de 40 millóns de anos de antigüidade na Terra, e sabemos que son moi resistentes á radiación."^[7] Axentes antibacterianos comúns que funcionan destruíndo as paredes das células vexetativas bacterianas non afectan ás endósporas. As endósporas atópanse comunmente no solo e na auga, onde poden sobrevivir durante longos períodos de tempo. Varios microorganismos forman "esporas" ou "quistes," pero as endósporas de bacterias grampositivas de baixo contico G+C son con diferenza as máis resistentes a condicións adversas.^[8]

As endósporas son diferentes das exósporas, aínda que en ambos os casos son formas hibernantes ou dormentes. Algunhas bacterias poden converterse en exósporas, tamén chamados quistes microbianos.

A bacteria produce unha soa endóspora internamente. A endóspora presenta unha cuberta complexa con varias capas. A disposición en capas dunha endóspora é:

• Exosporio
• Cuberta da espora
• Córtex da espora
• Parede celular e núcleo ou protoplasto.

A capa máis externa é o exosporio, que é unha fina capa proteica. Debaixo está a cuberta da espora, formada por varias capas proteicas específicas da espora, que actúa como un baruto que impide o paso de grandes moléculas tóxicas como o encima lisozima; é resistente a moitas moléculas tóxicas e tamén contén encimas que interveñen na xerminación da endóspora. Debaixo está o córtex, que está formado por peptidoglicano. A capa máis interna está formada polo núcleo ou protoplasto da espora, que ten unha parede do núcleo similar á parede celular da célula vexetativa, que encerra o ADN cromosómico da espora empaquetado con proteínas similares ás da cromatina chamadas SASPs (small acid-soluble spore proteins, proteínas da espora solubles en ácido pequenas), que protexen o ADN da espora da radiación UV e da calor; tamén contén estruturas celulares normais, como ribosomas e encimas, pero non é metabolicamente activo. O núcleo da endóspora está parcialmente deshidratado, o que inactiva os encima e aumenta a resistencia á calor. O pH do núcleo endospórico é unha unidade máis ácido que o da célula vexetativa.^[5]

Ata un 20% do peso seco da endóspora é ácido dipicolínico en forma de dipicolinato de calcio, que se encontra no núcleo de todas as endósporas, e que se considera que estabiliza o ADN. O ácido dipicolínico crese que contribúe á termorresistencia da espora, e o calcio pode axudar na resistencia a axentes oxidantes e ás altas temperaturas. Porén, existen mutantes resistentes á calor que carecen de ácido dipicolínico, o que indica que debe haber mecanismos adicionais que contribúan á termorresistencia.^[9] As proteínas da espora solubles en ácido pequenas (SASPs) aparecen en todas as endósporas, e empaquetan estreitamente e condensan o ADN e son en parte responsables da resistencia á luz UV e aos compostos químicos que danan o ADN.^[6] Tamén funcionan como fonte de carbono e enerxía durante a xerminación.^[5]

A visualización das endósporas con microscopio óptico adoita ser difícil debido á impermeabilidade da parede da endóspora ás tinguiduras e marcaxes. Xeralmente o resto da célula queda tinguido mentres que a endóspora queda incolora. Para evitar isto cómpre utilizar técnicas especiais de tinguidura como a tinguidura de Moeller, que tingue a endóspora de vermello, mentres que o resto da célula se tingue de azul, ou como a tinguidura de Schaeffer-Fulton, que tingue as endósporas de verde e o resto da bacteria de vermello.

A posición da endóspora varía coa especie bacteriana e é útil na identificación. Os principais tipos segundo a posición da endóspora son: terminal (nun polo da célula), subterminal (entre un polo e o centro), e central (no centro da célula). Ocasionalmente poden verse endósporas laterais (como un avultamento nun lado).

Un exemplo de bacteria con endóspora terminal é Clostridium tetani, patóxeno causante do tétano. Nesta especie a endóspora é tan grande que fai que se distenda a célula nesa zona. Unha especie con endóspora central é Bacillus cereus. Un exemplo con endóspora subterminal é Bacillus subtilis.

Baixo condicións de inanición, especialmente cando faltan fontes de carbono e nitróxeno, fórmase unha soa endóspora dentro da bacteria, proceso chamado esporulación.

Cando unha bacteria detecta que as condicións ambientais se están facendo desfavorables pode comezar o proceso de esporulación, que dura unhas 8 horas. En Bacillus subtilis están implicados uns 200 xenes.^[5] O ADN replícase e empeza a formarse unha parede membranosa chamada septo da espora entre a espora e o resto da célula. A membrana plasmática do resto da célula evaxínase rodeando esta parede para formar unha dobre membrana arredor da espora, e a estrutura en desenvolvemento denomínase pre-espora. No resto da célula o ADN dexenera; só permanece o ADN da endóspora. Durante estes primeiros momentos incorpórase o dipicolinato de calcio á preespora, o que axuda a estabilizar o ADN e as proteínas da espora.^[10]:141 Seguidamente, fórmase o córtex de peptidoglicano entre as dúas capas e a bacteria engade a cuberta da espora na parte externa da pre-espora, adquirindo a súa gran resistencia. Nos estadios finais da formación da endóspora esta deshidrátase e madura, e finalmente é expulsada da célula que a orixinou, que se degrada.^[6]

As endósporas bacterianas son resistentes a antibióticos, á maioría dos desinfectantes, e a axentes físicos como a radiación, fervido, e secado. A impermeabilidade da cuberta da espora crese que é a responsable da resistencia da endóspora aos compostos químicos. A resistencia á calor débese a varios factores:

• O dipicolinato de calcio, abundante dentro das endósporas, que estabiliza e protexe o ADN da endóspora.
• As proteínas solubles en ácido pequenas (SASPs), que saturan o ADN da endóspora e protéxeno da calor, secado, axentes químicos e radiacións.
• O córtex, que pode eliminar osmoticamente auga do interior da endóspora e a deshidratación resultante crese que é importante para a resistencia da endóspora á radiación.
• Finalmente, os encimas de reparación do ADN contidos na endóspora poden reparar o ADN danado durante a xerminación, asegurando a viabilidade do microbio.

As endospors son resistentes á maioría dos axentes que normalmente matan as células vexetativas a partir das que se formaron. Á diferenza das células persistentes, as endósporas son o resultado dun proceso morfolóxico de diferenciación desencadeado pola limitación de nutrientes no ambiente; a endosporulación iníciase por medio dunha percepción do quórum na poboación sometida a "inanición".^[10]:141 A maioría dos desinfectantes como os produtos de limpeza caseiros, alcohois, compostos de amonio cuaternario e deterxentes teñen escaso efecto sobre as endósporas. Porén, axentes alquilantes esterilizantes (por exemplo o óxido de etileno), e a lixivia ao 10% son efectivos contra as endósporas. Para matar a maioría das esporas de ántrax, a lixivia de uso caseiro estándar (cun 10% de hipoclorito de sodio) debe estar en contacto coas esporas durane varios minutos; unha proporción moi pequena de esporas pode sobrevivir máis de 10 minutos en contacto con esa solución.^[11] Maiores concentracións de lixivia non son máis efectivas, e poden causar que algúns tipos de bacterias se agreguen e así sobrevivan.

Aínda que son significativamene resistentes á calor e á radiación, as endósporas poden ser destruídas fervéndoas ou meténdoas nunha autoclave a unha temperatura que exceda a temperatura de ebulición da auga, como a de 100 °C durante bastante tempo. As endósporas poden sobrevivir a 100 °C durante horas, aínda que cantas máis horas pasen nesas condicións menos sobreviven. Unha forma indirecta de destruílas é situalas nun ambiente que as reactive e pasen ao estado vexetativo, no cal son pouco resistentes. Deixándoas xerminar durante un día ou dous en boas condicións ambientais, as células vexetativas formadas (que xa non son as resistentes endósporas) poden ser doadamente destruídas. Este método indirecto chámase tindalización. Foi o método de uso común durante unha etapa a finais do século XIX antes da introdución das autoclaves baratas. Unha exposición prolongada a radiacións ionizantes, como raios X e raios gamma, tamén mata as endósporas.

Certos tipos de endósporas utilízanse para asegurarse que unha mostra sometida a autoclavado quedou perfectamente esterilizada: ponse dentro da autoclave xunto coa mostra unha pequena cápsula que contén endósporas; despois dun ciclo de autoclavado compróbase para ver se houbo algún crecemento de microorganismos. Se non creceu ningún, entón é que as endósporas foron destruídas e a esterilización foi correcta.^[12]

En hospitais, as endósporas que contaminan instrumentos invasivos delicados (por exemplo endoscopios) mátanse a baixa temperatura con vapor de peróxido de hidróxeno concentrado activado por plasma non tóxico nin corrosivo en esterilizadores. Ao contrario, a "desinfección de alto nivel" non mata as endósporas pero utilízase para instrumentos que non entran en cavidades corporais estériles (por exemplo, en colonoscopias). Este último método usa só auga quente, encimas, e deterxentes.

A reactivación de endósporas ocorre cando as condicións son máis favorables e implica a activación, xerminación, e crecemento. Mesmo en casos en que unha endóspora é situada nun ambiente con abundacnia de nutrientes, pode non xerminar a non ser que teña lugar primeiro a activación. Isto pode ser iniciado polo quentamento da endóspora. A xerminación implica que a endóspora dormente recomece a súa actividade metabólica e así rompa a hibernación. É un proceso normalmente rápido que dura minutos. Desaparece o dipicolinato cálcico e compoñentes do córtex e degrádanse as SASPs.^[5] Caracterízase normalmente pola rotura ou absorción da cuberta da espora, o inchamento da endóspora, un incremento da actividade metabólica con síntese de ARN, proteínas e ADN, unha perda da resistencia aos estreses ambientais, e perda da refrinxencia vista ao microscopio e aumento da capacidade de tinguidura. O crecemento vén despois da xerminación e implica que o núcleo da endóspora fabrique os novos compoñentes químicos necesarios e saia da cuberta da espora para desenvolverse como unha célula vexetativa bacteriana completamente funcional, que pode dividirse e producir máis células.

As endósporas posúen cinco veces máis xofre que as células vexetativas. Este exceso de xofre concéntrase na cuberta da espora en forma do aminoácido cistina. Crese que a macromolécula rsponsable de manter o estado dormente ten un recubrimento proteico rico en cistina, estabilizado por enlaces S-S. Unha redución destes enlaces ten o potencial de cambiar a estrutura terciaria da proteína, causando que esta sufra un despregamento. Este cambio conformacional da proteína pénsase que fai que queden expostos os sitios encimáticos activos necesarios para a xerminación da endóspora.^[13]

As endósporas poden permanecer dormentes durante moito tempo. Por exemplo, atopáronse endósporas en tumbas de faraóns exipcios. Cando estas endósporas foron situadas nun medio apropiado nas condicións axeitadas, puideron ser reactivadas. En 1995, Raul Cano da California Polytechnic State University encontrou esporas bacterianas no estómago dunha abella fosilizada atrapada en ámbar da República Dominicana, que foi datada cunha antigüidade duns 25 millóns de anos. Esas esporas xerminaron cando o ámbar foi roto e o material do estómago da abella extraído e situado nun medio nutritivo. Despois de que as esporas foron analizadas ao microscopio, determinouse que as células eran moi similares a Bacillus sphericus, que se encontra en abellas actuais da República Dominicana.^[10]

Os detalles moleculares da formación das endósporas foron amplamente estudados como un modelo simplificado de diferenciación celular, especificamente no organismo modelo Bacillus subtilis. Estes estudos contribuíron aos nosos coñecementos sobre regulación da expresión xénica, factores de transcrición, e as subunidades do factor sigma da ARN polimerase.

As endósporas da bacteria Bacillus anthracis foron utilizados con fins terroristas, como nos ataques con ántrax de 2001 nos Estados Unidos, nos que se enviaron cartas postais que contiñan un po contaminado con endósporas de ántrax cos que se infectaron 22 persoas e morreron 5.^[10]

Segundo os documentos veterinarios da OMS, B. anthracis esporula cando detecta que hai oxíxeno en vez do dióxido de carbono no sangue de mamífero; isto indica á bacteria que o animal está chegando ao seu final, e é útil pasar a unha morfoloxía dispersable inactiva.

A esporulación require a presenza de oxíxeno libre. En situación natural, isto significa que os ciclos vexetativos ocorren no ambiente baixo en oxíxeno dun hóspede infectado e, dentro do hóspede, o organismo está exclusivamente en forma vexetativa. Unha vez fóra do hóspede, a esporulación comeza pola exposición ao aire e as formas esporuladas son esencialmente a fase exclusiva no ambiente.^[14][15]

As endósporas de Geobacillus stearothermophilus utilízanse como indicadores biolóxicos cando se usa unha autoclave en procedementos de esterilización.

As esporas de Bacillus subtilis son útiles para a expresión de proteínas recombinantes e en especial para a exposición en superficie de péptidos e proteínas como ferramenta fundamental de investigación aplicada no eido da mcrobioloxía, biotecnoloxía e vacinación.^[16]

Exemplos de xéneros de bacterias formadoras de endósporas:

• Acetonema
• Actinomyces
• Alkalibacillus
• Ammoniphilus
• Amphibacillus
• Anaerobacter
• Anaerospora
• Aneurinibacillus
• Anoxybacillus
• Bacillus
• Brevibacillus
• Caldanaerobacter
• Caloramator
• Caminicella
• Cerasibacillus
• Clostridium
• Clostridiisalibacter
• Cohnella
• Coxiella (Coxiella burnetii)
• Dendrosporobacter
• Desulfotomaculum
• Desulfosporomusa
• Desulfosporosinus
• Desulfovirgula
• Desulfunispora
• Desulfurispora
• Filifactor
• Filobacillus
• Gelria
• Geobacillus
• Geosporobacter
• Gracilibacillus
• Halobacillus
• Halonatronum
• Heliobacterium
• Heliophilum
• Laceyella
• Lentibacillus
• Lysinibacillus
• Mahella
• Metabacterium
• Moorella
• Natroniella
• Oceanobacillus
• Orenia
• Ornithinibacillus
• Oxalophagus
• Oxobacter
• Paenibacillus
• Paraliobacillus
• Pelospora
• Pelotomaculum
• Piscibacillus
• Planifilum
• Pontibacillus
• Propionispora
• Salinibacillus
• Salsuginibacillus
• Seinonella
• Shimazuella
• Sporacetigenium
• Sporoanaerobacter
• Sporobacter
• Sporobacterium
• Sporohalobacter
• Sporolactobacillus
• Sporomusa
• Sporosarcina
• Sporotalea
• Sporotomaculum
• Syntrophomonas
• Syntrophospora
• Tenuibacillus
• Tepidibacter
• Terribacillus
• Thalassobacillus
• Thermoacetogenium
• Thermoactinomyces
• Thermoalkalibacillus
• Thermoanaerobacter
• Thermoanaeromonas
• Thermobacillus
• Thermoflavimicrobium
• Thermovenabulum
• Tuberibacillus
• Virgibacillus
• Vulcanobacillus

• Tinguidura de endósporas
• Esporanxio

Commons ten máis contidos multimedia sobre:  Endóspora

• Marise A. Hussey, Anne Zayaitz Endospore Stain Protocol Microbe Library (American Society of Microbiology)
• Endospores -Brief Microbiology Text
• Malachite green – endospore staining technique (vídeo)
• Resistance of Bacillus Endospores to Extreme Terrestrial and Extraterrestrial Environments