Una endospora es una estructura latente , resistente y no reproductiva producida por algunas bacterias del filo Bacillota . [1] [2] 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 suele desencadenarse por una falta de nutrientes y suele ocurrir en bacterias grampositivas . En la formación de endosporas, la bacteria se divide dentro de su pared celular y luego un lado envuelve al otro. [3] Las endosporas permiten que las bacterias permanezcan inactivas durante períodos prolongados, incluso siglos. Hay muchos informes de que las esporas siguen siendo viables durante 10.000 años, y se ha afirmado que han resucitado esporas que tenían millones de años. Hay un informe sobre esporas viables de Bacillus marismortui en cristales de sal de aproximadamente 25 millones de años. [4] [5] Cuando el ambiente se vuelve más favorable, la endospora puede reactivarse a un estado vegetativo. La mayoría de los tipos de bacterias no pueden cambiar a la forma de endospora. Ejemplos de especies bacterianas que pueden formar endosporas incluyen Bacillus cereus , Bacillus anthracis , Bacillus thuringiensis , Clostridium botulinum y Clostridium tetani . [6] La formación de endosporas no se encuentra entre Archaea . [7]
La endospora está formada por el ADN de la bacteria , 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 de mantener la latencia. Esta sustancia química representa hasta el 10% del peso seco de la espora. [3]
Las endosporas pueden sobrevivir sin nutrientes. Son resistentes a la radiación ultravioleta , la desecación , las altas temperaturas, las heladas extremas y los desinfectantes químicos . Ferdinand Cohn planteó por primera vez la hipótesis de las endosporas termorresistentes después de estudiar el crecimiento de Bacillus subtilis en el queso después de hervirlo. Su noción de que las esporas son el mecanismo reproductivo para el crecimiento fue un duro golpe a las sugerencias anteriores de generación espontánea. El astrofísico Steinn Sigurdsson dijo: "Se han encontrado esporas de bacterias viables que tienen 40 millones de años en la Tierra y sabemos que están muy endurecidas a la radiación". [8] Los agentes antibacterianos comunes que actúan destruyendo las paredes de las células 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 microorganismos diferentes forman "esporas" o "quistes", pero las endosporas de las bacterias grampositivas con bajo G+C son, con diferencia, las más resistentes a las duras condiciones. [3]
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 etapas de "hibernación" o latentes que se observan en algunas clases de microorganismos.
El ciclo de vida bacteriano no necesariamente incluye la esporulación. La esporulación suele ser provocada por condiciones ambientales adversas, para ayudar a la supervivencia de la bacteria. Las endosporas no muestran signos de vida y, por tanto, pueden describirse como criptobióticas . Las endosporas conservan su viabilidad indefinidamente y pueden germinar en células vegetativas en las condiciones adecuadas. Las endosporas han sobrevivido miles de años hasta que los estímulos ambientales desencadenan la germinación. Se han caracterizado por ser las células más duraderas producidas en la naturaleza. [9]
Las bacterias producen una única endospora internamente. La espora a veces está rodeada por una fina cubierta conocida como exosporio , que recubre la cubierta de la espora . La capa 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 participan en la germinación . En las endosporas de Bacillus subtilus , se estima que la cubierta de esporas contiene más de 70 proteínas de cubierta, que están organizadas en una capa interna y otra externa. [10] El patrón de difracción de rayos X de las endosporas purificadas de B. 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. [11] Sin embargo, después de estudios adicionales, este grupo concluyó que la estructura de la proteína de la cubierta de las esporas era diferente de la queratina. [12] Cuando se secuenció el genoma de B. subtilis , no se detectó ningún ortólogo de queratina humana. [13] La corteza se encuentra debajo de la capa de esporas y está compuesta de 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 las esporas, 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 puede ayudar en la resistencia al calor y a 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. [14] Las pequeñas proteínas solubles en ácido (SASP) se encuentran en las endosporas. Estas proteínas unen y condensan firmemente el ADN y son en parte responsables de la resistencia a la luz ultravioleta y a las sustancias químicas que dañan el ADN. [3]
La visualización de endosporas bajo microscopía óptica puede resultar difícil debido a la impermeabilidad de la pared de las endosporas a tintes y tintes. 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:
La posición de la endospora difiere entre especies bacterianas y es útil en la identificación. Los tipos principales dentro de la célula son las endosporas terminales, subterminales y ubicadas centralmente. 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 que se encuentran entre estos dos extremos, generalmente se ven lo suficientemente lejos hacia los polos pero lo suficientemente cerca del centro como para no ser consideradas terminales o centrales. Ocasionalmente se observan 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 colocada centralmente 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 .
En condiciones de inanición, especialmente por falta de fuentes de carbono y nitrógeno, se forma una única endospora dentro de algunas bacterias mediante un proceso llamado esporulación. [15]
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 comienza a formarse una pared de membrana conocida como tabique de esporas entre él 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 preespora. Durante este tiempo, el dipicolinato de calcio, la sal cálcica del ácido dipicolínico, se incorpora a la preespora. El ácido dipicolínico ayuda a estabilizar las proteínas y el ADN de la endospora. [16] : 141 Luego, se forma la corteza de peptidoglicano entre las dos capas y la bacteria agrega una capa de esporas al exterior de la espora. En las etapas finales de la formación de endosporas, la endospora recién formada se deshidrata y se deja madurar antes de ser liberada de la célula madre. [3] 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. [3] La esporulación ahora se ha completado 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 a partir de las cuales 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 de la población "hambrienta". [16] : 141 La mayoría de los desinfectantes, como los productos de limpieza domésticos, 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 el blanqueador al 10% son eficaces 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 dicha solución. [17] Las concentraciones más altas de lejía no son más efectivas y pueden causar que algunos tipos de bacterias se agreguen y, por lo tanto, sobrevivan.
Si bien son significativamente resistentes al calor y la radiación, las endosporas pueden destruirse quemándolas o clavándolas en autoclave a una temperatura que exceda el punto de ebullición del agua, 100 °C. Las endosporas pueden 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, no tan resistentes como las endosporas, podrán destruirse fácilmente. Este método indirecto se llama Tyndallización . Fue el método habitual durante un tiempo a finales del siglo XIX, antes de la introducción de autoclaves económicos. La exposición prolongada a radiaciones ionizantes , como rayos X y 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 artículo esterilizado en autoclave se ha vuelto verdaderamente estéril: se coloca una pequeña cápsula que contiene las esporas en el autoclave con los artículos; Después del ciclo, se cultiva el contenido de la cápsula para comprobar si crecerá algo de ella. Si no crece nada, entonces las esporas fueron destruidas y la esterilización fue exitosa. [18]
En los hospitales, las endosporas de instrumentos invasivos delicados, como los endoscopios, son eliminadas por esterilizadores de óxido de etileno no corrosivos y de baja temperatura. El óxido de etileno es el único esterilizante a baja temperatura que puede detener los brotes en estos instrumentos. [19] Por el contrario, la "desinfección de alto nivel" no mata las endosporas, pero se utiliza para instrumentos como un colonoscopio que no ingresan a cavidades corporales estériles. Este último método utiliza sólo agua tibia, enzimas y detergentes.
Las endosporas bacterianas son resistentes a los antibióticos, a la mayoría de los desinfectantes y a 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 diversos factores:
La reactivación de la endospora ocurre cuando las condiciones son más favorables e implica activación , germinación y crecimiento . Incluso si una endospora se encuentra en abundantes nutrientes, es posible que no germine a menos que se haya producido una activación. Esto puede desencadenarse calentando la endospora. La germinación implica que la endospora latente inicie la actividad metabólica y rompa así la hibernación. Comúnmente se caracteriza por 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 capa 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 capas de esporas en forma de aminoácido, cisteína . Se cree que la macromolécula responsable de mantener el estado latente tiene una cubierta proteica rica en cistina, estabilizada por enlaces SS. Una reducción de estos enlaces tiene el potencial de cambiar la estructura terciaria, provocando 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 las endosporas. [20]
Las endosporas pueden permanecer inactivas durante mucho tiempo. Por ejemplo, se encontraron endosporas en las tumbas de los faraones egipcios. Cuando se colocaron en un medio apropiado, en condiciones apropiadas, pudieron reactivarse. En 1995, Raúl Cano, de la Universidad Politécnica Estatal 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 tenía 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 analizar las esporas mediante microscopía, se determinó que las células eran muy similares al Lysinibacillus sphaericus que se encuentra hoy en las abejas de la República Dominicana. [dieciséis]
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 en gran medida a nuestra comprensión de la regulación de la expresión genética , 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 cartas postales contaminadas consistía en endosporas de ántrax. Esta distribución intencional dio lugar 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 haberse visto afectados. [dieciséis]
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 indica a las bacterias que ha llegado al final del animal, y una morfología dispersable inactiva es útil.
La esporulación requiere la presencia de oxígeno libre. En la situación natural, esto significa que los ciclos vegetativos ocurren dentro del ambiente con poco 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. [21] [22]
Las esporas de Bacillus subtilis son útiles para la expresión de proteínas recombinantes y, en particular, para la presentación superficial de péptidos y proteínas como herramienta para la investigación fundamental y aplicada en los campos de la microbiología, la biotecnología y la vacunación. [23]
Ejemplos de bacterias formadoras de endosporas incluyen los géneros:
