A baktériumok spóraképzése

A baktériumspóra aszexuális sejt, amely csak bizonyos baktériumoknál kép-ződik, és lappangó állapotban megőrzi a sejt valamennyi genetikailag meghatá-rozott tulajdonságát.

Több spóratípust leírtak, melyek közül legfontosabb az endospóra, ami rend-kívül ellenálló a környezet káros behatásaival szemben. Az endospórák a baktéri-umok terjedését is megkönnyítik a szél, víz vagy állatok bélcsatornáján keresztül.

Az endocellulárisan képződő endospóra a legellenállóbb sejt. Azt a vegetatív sejtet, amely endospórává alakul át, sporángiumnak nevezik. A sporángium nem képes osztódni, egy sporángiumból csak egy endospóra képződik.

Az endospóra-képződés fontos taxonómiai jelleg. Endospórát közel 20 nem-zetség tagjai képesek létrehozni, melyek Gram-pozitív sejtfalúak, endospórát képző ősbaktériumok nem ismertek. A pálcika alakú baktériumoknál ismert endospórát létrehozó nemzetségek a Bacillus, Sporolactobacillus, Clostridium és a Desulfoto-maculum. A gömb alakú baktériumoknál endospórát a Sporosarcina ureae bak-tériumnál írták le. A spirális baktériumoknál nem létezik endospóraképző faj.

Az endospórák kimutatása:

1. Közvetlen – alaktani módszer: Közönséges mikroszkópi preparátumon a spóra ovális vagy gömb alakú, fénytörő képződményként látható. Csak akkor festődnek intenzíven, ha előzőleg korrozív anyagokkal kezelik (HCl), vagy ha a festéshez felmelegített oldatot (malachitzöld) használnak.

2. Indirekt – fiziológiai módszer: A baktérium-tenyészetet 10–15 ˚C-kal ma-gasabbra melegítik, mint az illető baktérium maximális növekedési hő-mérséklete.

A sporángiumban az endospóra különböző helyzeteket vehet fel, és átmérője kisebb vagy nagyobb lehet, mint a sejt harántátmérője. Az endospóra általában ovális, ritkábban gömb alakú. Kivételes esetben ugyanaz a faj képezheti mindkét alakú spórát (pl. Bacillus megaterium).

Az endospóra mérete és helye jellemző az adott baktériumfajra, ezeknek a jellegzetességeknek az alapján a spóraképző pálca alakú baktériumoknak három fő alaktani típusa különböztethető meg:

1. Bacteridium: a spóra átmérője kisebb, mint a sejt harántátmérője. Lehet centrális, szubterminális és terminális helyzetű (Bacillus anthracis).

2. Clostridium: a spóra átmérője nagyobb, mint a sejt eredeti átmérője, a sejt deformált alakú. A spóra centrális vagy szubterminális (Bacillus polimyxa, B. circulans, Clostridium pectinolyticum).

3. Plectidium: dobverő, gyufaszál alak, a spóra terminális helyet foglal el, harántátmérője nagyobb, mint a sejté (Clostridium tetani) (2.24. ábra).

2.24. ábra. A spórák helyzete. 1, 4 – centrális helyzetű spóra, 2, 3, 5 – terminális helyzetű spóra, 6 – oldalsó helyzetű spóra

2.3.1. Az endospóra szerkezete

Az endospóra alapszerkezete a különböző baktériumfajoknál nagymér-tékben hasonló, egyes szerkezeti elemek csak bizonyos spórák esetében van-nak jelen.

Sporoplazma: sűrű citoplazmát és periferiális elhelyezkedésű nukleoidot tartalmaz.

Citoplazmahártya: körülveszi a sporoplazmát.

A spóra sejtfala, mely mureint tartalmaz.

Kortex (kéreg) olyan szerkezet, mely kevésbé sűrű, mint a sporoplazma, és beborítja a sejtfalat (2.25. ábra).

A sejtburok beborítja a kortexet. A burok szerkezete fajok szerint változik.

A Bacteridium és a Clostridium alaktani típusoknál a burok 2 rétegből áll: intiná-ból és exináintiná-ból. Az exina a Bacillus polimyxanál rajzolatos. A Bacillus subtilisnél az exina és az intina között egy lamelláris réteg figyelhető meg, amely 5-8 kon-centrikus lemezből áll.

Egyes szerkezeti elemek csak bizonyos spórákban vannak jelen:

Exospórium: hasonlít a baktériumtokra. Általában teljesen beborítja az en-dospórát, ritkábban rajta egy pórus vagy egy szélesebb nyílás látható.

Spórafüggelékek: a spóra egyik vagy mindkét pólusán helyezkednek el.

Alakjuk változatos: pálcika, fonalas, madártollra emlékeztető szerkezetűek vagy pántlika alakúak.

Spórasüveg: kúp vagy félhold alakú. A spóra egyik pólusán jelenik meg.

Szemcsés, hólyagos szerkezetű, belsejében gáz található.

2.25. ábra. Az endospóra szerkezete. 1: exospórium, 2: exina, 3: intina, 4: kortex, 5: spórasejtfal, 6: citoplazmahártya, 7: sporoplazma, 8: spóraburok

2.3.2. Az endospóraképzés mechanizmusa

Általában akkor következik be, amikor valamely, az aktív növekedéshez szük-séges tápanyag elfogy. Első lépésben a DNS egy axiális filamentumot képez, amit a sejtmembrán betüremkedése követ, és létrejön az előspóra. A membrán betü-remkedése folytatódik, és az előspórát az anyasejt endocitózisszerűen egy másik membránnal is körbevéve bekebelezi. Ezt követően a két membrán közé lerakódik a kortex, és ebben a stádiumban történik a kalcium és dipikolinsav felhalmozó-dása. Ezután a kortexen kívül fehérjeköpeny jön létre, és a spóra érését követően az anyasejtet litikus enzimek lebontják.

A sporulációt nagyszámú gén irányítja. E gének bekapcsolása regulált, ren-dezett sorrendben történik, az RNS-szintetáz eltérő szigma faktorai irányításával.

2.3.3. A spórák ellenálló képessége

A spórák rendkívül ellenállók a környezet káros behatásai ellen.

a) Fizikai tényezőkkel szembeni ellenálló képesség

A spórák ellenállnak egy 15 perces 60 ˚C-os hőhatásnak, vagy egy 10 perces 70–80 ˚C-os hőmérsékletnek, mialatt a vegetatív sejtek elpusztulnak, kivéve a termofil baktériumokat. Az Aquifex aeolicus 95 fokon növekedik.

Kiszáradt állapotban is sokáig megőrzik életképességüket. A lépfene bak-térium spórái 70 évi szárazon való tartásuk után is megőrizték

csíraképességü-ket. Herbáriumban tartott növények gyökeréről talajszemcséket leoltva táptalajra megállapították, hogy a szemcsék csíraképes spórákat tartalmaztak, jóllehet a növényeket 320 évvel azelőtt gyűjtötték.

A spórák viabilitásukat évezredekig is megőrzik. Így olyan kőzetpróbákból, amelyeket 37–40 m mélységből hoztak fel, csíraképes spórákat mutattak ki. A kő-zetekbe a spórák a negyedkorban jutottak be.

A spórák az ozmotikus mechanikai nyomással és a sugárzásokkal szemben sokkal ellenállóbbak, mint a vegetatív sejtek.

b) Kémiai tényezők

5%-os fenololdatban a spórák 24 óráig megőrzik életképességüket. Az anti-biotikumok nem hatnak az érett endospórára.

c) Biológiai tényezők

A spórák ellenállnak a mikroorganizmusok antagonista hatásának. A Bacillus anthracis spórái a talajban megőrzik csíraképességüket, jóllehet a talaj mikro-biótája gazdag, és számos mikroorganizmust tartalmaz, melyek antagonisták a lépfene-baktérium vegetatív sejtjeivel szemben.

A spórák kevesebb vizet tartalmaznak, mint a vegetatív sejtek. A spórák vize kötött víz, ami részben magyarázza a spórák hőellenálló képességét, ugyanis a fehérjék kicsapódásához szabad vízre van szükség. A spórák élettani aktivitása nagyon csekély, mivel ehhez is szabad vízre van szükség.

A spórák több Ca-ot és Mg-ot és kevesebb K-ot és P-t tartalmaznak, mint a ve-getatív sejtek. A Ca-nak szerepet kell játszania a spórák hőellenálló képességé ben, ugyanis kísérletileg kimutatták, hogy ha a spórás baktériumot olyan táptalajon tenyésztik, amely kevés Ca-ot tartalmaz, az itt képződő spórák hővel szembeni ellenálló képessége kisebb fokú, mint azok a spórák, amelyek elégséges Ca-ot tartalmazó táptalajon képződtek.

A spórák viszonylag gazdag lipidtartalommal rendelkeznek. A zsíroknak is szerepe van a spórák hőellenálló képességében. Ha a táptalajhoz olajsavat adtak, az itt képződő spórák ellenállóbbak voltak a hővel szemben, mint azok a spórák, melyek olajsav nélküli kontroll táptalajon jöttek létre.

A spórák tartalmaznak egy fajlagos vegyületet, amely nincs meg a vegetatív sejtben: ez a dipikolinsav. Mennyisége elérheti a spórák szárazanyagának 5-15%-át. A dipikolinsav a vegetatív sejtek sejtfalában található α,ε-diaminopimelinsavból alakul ki, dezaminálás, gyűrűzáródás és dehidrogénezés során. A dipikolinsav is szerepet játszik a spórák hővel szembeni ellenálló képességében. Olyan mutánsok, melyek nem képesek dipikolinsavat szintetizálni, képeznek ugyan spórát, de ezek hőellenálló képessége csekély.

Kimutattak kis, savoldékony proteineket (SASP – small acid soluble spore proteins) is, amelyek a DNS-hez kötődnek és a káros környezeti tényezőktől (UV sugárzás, kiszáradás, hő) védik, ugyanakkor a spórák csírázásakor szén- és ener-giaforrásként szolgálnak.

A spórafehérjékben nagyon sok a diszulfid (S-S) kötés, ami szerepet játszik a spórák hőellenálló képességében.

2.3.4. A spórák élettani tevékenysége

Kimutatták, hogy az endospóra is lélegzik, és bizonyos enzimek az endospórá-ban is aktívak maradnak. A légzés erősebbé válik, amikor a spóra elkezd csírázni.

2.3.5. Az endospóra csírázása

Kedvező körülmények között a spóra kicsírázik, és vegetatív sejtet hoz létre.

A csírázás azzal kezdődik, hogy az endospóra megduzzad, mivel sok vizet vesz fel a környezetből, és szintézis révén sok vegyület képződik. A megduzzadt spóra számos vegyületet választ ki a környezetbe, így dipikolinsavat is. A megduzzadt spórában elreped a spóraburok, és a repedésen az új vegetatív sejt kiszabadul.

A repedés egyetlen pontban történik, a helye lehet poláris (poláris csírázás), a spóra egyenlítői részén és közepe táján (ekvatoriális csírázás), az egyenlítő és a pólus között (köztes csírázás).

2.3.6. A spóraképzés biológiai jelentősége

A baktérium endospóra, a gombák spóráival szemben, nem eszköze a szapo-rodásnak. A spóra olyan ellenálló sejt, melyben kedvezőtlen körülmények között a baktériumfaj megőrzi valamennyi genetikailag meghatározott tulajdonságát.

A spóraképzést a környezet kedvezőtlen feltételei váltják ki, mint amilyenek pl. a kiszáradás és a táplálékhiány.

A spóraképződés kötelező fázis az illető tenyészet fejlődésében, élettani szük-séglet az illető baktérium számára. Ha ez nem elégül ki, bizonyos tulajdonságok megváltoznak. Ha pl. a Bacillus anthracis képtelen lesz spóraképzésre, elveszti patogenitását.

Az exospórák ellenálló képessége kisebb, mint az endospóráé. Nem a sejten belül alakulnak ki, bizonyos sejtek differenciálódása révén jönnek létre.

A Methanotroph baktériumok exospóraképzése során az anyasejt bimbózá-sával jön létre új sejt, vagy egy vegetatív sejt átalakulábimbózá-sával jön létre a spóra. Kí-vülről ezekre a sejtekre is további rétegek rakódnak, amely ellenálló képességüket fokozzák. Ezeknél poli-hidroxi-vajsav-felhalmozódás történik.

Az aktinomicéták szilárd táptalajon hosszú elágazó fonalakat, micéliumot hoznak létre, mely a táptalajba is behatol. Ezt szubsztrátmicéliumnak nevezik.

Szeptum (keresztfal) csak ritkán képződik, és a sejtek ennek megfelelően

hosz-szúak, csőszerűek, sok magekvivalenst tartalmaznak. Legtöbb faj a szubsztrátmi-céliumra merőlegesen, a levegőbe is növeszt micéliumot, amit légmicéliumnak neveznek. Általában ezeknek a légmicélium-fonalaknak a végén, intenzív szep-tumképzés és a sejtfal megvastagodása után jönnek létre az aszexuális, ellenálló, kitartó sejtek, a spórák (2.26. ábra).

2.26. ábra. Az aktinomicéták micéliuma (http://actinomycetes.pbworks.com/f/actinomycetes%202.jpg)

Egyes fajoknál a spórák a spóratartóban képződnek, bizonyos fajok esetében pedig a spóraképzés a szubsztrátmicéliumon is megfigyelhető.