Спорообразование

Бактериальные эндоспоры (гр. spjra – семя) – уникальные по структуре и свойствам образования, характеризующиеся высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды. Они не похожи на споры других микроорганизмов, тем более на споры растений. Спорообразование не является способом размножения. Бактериальные эндоспоры – это одна из стадий развития бактерий, выработанная в процессе длительной эволюции в борьбе за сохранение вида. Из одной вегетативной клетки формируется только одна спора. Способность к спорообразованию предопределена генетически, но споры образуются в условиях, неблагоприятных для роста и размножения бактерий (неблагоприятные температурные условия, высушивание, недостаток питательных веществ, изменение рН среды и т.д.).

Бактериальная клетка, в которой формируется спора, называется спорангием. Процесс спорообразования составляет от полутора часов до суток, а иногда и более. Спорообразование (споруляция) происходит как в естественных условиях, так и при выращивании на питательных средах. Спорообразование начинается с прекращения роста клетки. Изменяется направленность метаболических процессов – происходит перестройка белков клетки, часть из них синтезируется заново из внутреннего фонда свободных аминокислот; расходуются имеющиеся запасные вещества.. Спорообразование происходит в несколько стадий:

1. Нуклеоид вегетативной клетки приобретает компактную палочковидную форму, происходит перестройка белков.

2. Отделяется полярный нуклеоид. В результате инвагинации ЦПМ часть протопласта отделяется от материнской клетки, образуется спроруляционная перегородка, которая в дальнейшем деформируется и превращается в одну из оболочек споры, появляется протопласт споры.

3. Протопласт споры окружается протопластом материнской клетки и образуется округлая проспора, окруженная двумя мембранами – внутренней и внешней, обращенной своим наружным слоем внутрь клетки. Проспора отделяется от мембраны материнской клетки и либо остается у полюса клетки, либо перемещается к ее центру. Из материнской клетки в проспору поступают некоторые аминокислоты, дипиколиновая кислота (она отсутствует в вегетативной клетке), ионы кальция; образуется комплекс Са²⁺ с дипиколиновой кислотой. На второй и третьей стадиях начинают синтезироваться белки покровов споры.

4. Между двумя мембранами проспоры начинается образование муреинового слоя, которое завершается образованием толстого слоя кортекса (или коры).

5. Происходит образование покровов споры. Все внутренние оболочки споры имеют гладкие поверхности, а наружная (или внешняя) оболочка характеризуется неровной поверхностью. Она определяет своеобразие поверхности спор разных видов бактерий. Число и строение слоистых покровов у разных видов бактерий различно.

6. Заканчивается формирование споры, появляется ее уникальное свойство – термоустойчивость. Зрелая спора имеет характерную для каждого вида бактерий форму, размеры, занимает соответствующее положение в клетке. Затем происходит освобождение споры от остатков материнской клетки (путем гибели и лизиса материнской клетки).

Положение споры в клетке. Споры могут занимать разное положение в клетке: бациллярное, когда спора локализуется в клетке центрально или эксцентрально или терминально и при этом клетка не изменяет свою форму (характерно для аэробных бактерий рода Bacillus ); клостридиальное, когда при формировании споры клетка приобретает вид веретена – эндоспора располагается в утолщенной части клетки центрально или эксцентрально; плектридиальное, когда спора локализуется терминально, в месте ее расположения клетка расширяется и приобретает вид барабанной палочки или ракетки. Клостридиальный и плектридиальный типы расположения эндоспор свойственен анаэробным бактериям рода Clostridium.

Строение зрелой споры. Строение зрелой споры разных видов бактерий однотипно. Спороплазма (или сердцевина) содержит нуклеиновые кислоты и белки (суммарно до 50-60% сухого вещества споры), дипиколиновую кислоту (5-25%), ионы Са^{2 +} (до 2%), ферменты (большинство из них не отличается от ферментов вегетативной клетки, но они активны), липиды и др. вещества. Эндоспоры характеризуются высокой термоустойчивостью (выдерживают кипячение от нескольких минут до нескольких часов). Термоустойчивость обусловлена: наличием дипиколината кальции, многочисленными оболочками, особенностью кортекса, малым содержанием воды (на 20-35% меньше, чем в вегетативной клетке), большим содержанием липидов.

Описано более 15 родов бактерий, образующих споры (Bacillus, Clostridium, Sporolacto-bacillus, Oscillospora и др.). Эндоспоры присущи грамположительным бактериям (исключение составляют бактерии рода Desulfotomaculum). Как правило, извитые и кокковидные формы эндоспор не образуют (исключение род Sporosarcina). Для бактерий спорообразование не является обязательным этапом жизненного цикла, так как при благоприятных условиях они могут длительное время развиваться без образования спор. Есть мутанты, не образующие спор.

Прорастание спор. Процесс прорастания спор протекает в несколько этапов.

1. Активация прорастания отражает готовность спор к прорастанию. Она происходит в процессе старения споры (необратима), подл воздействием редуцирующих веществ, повышенных температур, при снижении рН. Основные свойства споры сохраняются, но увеличивается численность спор, способных к прорастанию. Наиболее часто используется тепловая обработка – прогрев спор в течение некоторого времени при высокой сублетальной температуре.

2. Инициация прорастания (необратима). Снижается устойчивость спор. Споры теряют термоустойчивость и светопреломление. Эти процессы сопровождаются выделением (до 30%) веществ споры – дипиколината кальция, глюкозамина, диаминопимелиновой кислоты, некоторых аминокислот. Низкомолекулярные белки споры разрушаются специальной споровой протеазой.

3. Собственно прорастание. В этой стадии происходит активный синтез белка и РНК, репликация ДНК, лизис оболочек споры, их разрыв в какой-нибудь точке споры и появление "ростка" новой клетки. Чаще всего спора прорастает полярно или латерально. Далее следует удлинение ростка и формирование полноценной вегетативной клетки. Процесс прорастания в среднем происходит за 2-3 ч.