Endospor
Endospor, Bacillota filumundaki bazı bakteriler tarafından üretilen hareketsiz, sert ve üremeyen bir yapıdır. "Endospor" adı spor veya tohum benzeri bir formu çağrıştırır (endo 'içinde' anlamına gelir), ancak gerçek bir spor değildir (yani, bir yavru değildir). Bakterinin kendini indirgeyebileceği, soyulmuş, hareketsiz bir formdur. Endospor oluşumu genellikle besin eksikliği ile tetiklenir ve genellikle gram-pozitif bakterilerde görülür. Endospor oluşumunda bakteri hücre duvarı içinde bölünür ve bir taraf diğerini yutar. Endosporlar bakterilerin uzun süreler, hatta yüzyıllar boyunca uykuda kalmasını sağlar. Sporların 10.000 yıldan fazla canlı kaldığına dair birçok rapor vardır ve milyonlarca yıllık sporların yeniden canlandığı iddia edilmiştir. Yaklaşık 250 milyon yıllık tuz kristallerinde Bacillus marismortui'nin canlı sporlarına dair bir rapor bulunmaktadır. Ortam daha elverişli hale geldiğinde, endospor kendini yeniden aktif hale getirerek vejetatif bir duruma geçebilir. Çoğu bakteri türü endospor formuna geçemez. Endospor oluşturabilen bakteri türlerine örnek olarak Bacillus cereus, Bacillus anthracis, Bacillus thuringiensis, Clostridium botulinum ve Clostridium tetani verilebilir. ⓘ
Endospor, bakterinin DNA'sı, ribozomları ve büyük miktarlarda dipikolinik asitten oluşur. Dipikolinik asit, endosporların uyku halini sürdürmesine yardımcı olduğu görülen spora özgü bir kimyasaldır. Bu kimyasal, sporun kuru ağırlığının %10'una kadarını oluşturur. ⓘ
Endosporlar besin olmadan hayatta kalabilir. Ultraviyole radyasyon, kuruma, yüksek sıcaklık, aşırı donma ve kimyasal dezenfektanlara karşı dirençlidirler. Isıya dayanıklı endosporlar ilk olarak Ferdinand Cohn tarafından peynir kaynatıldıktan sonra Bacillus subtilis'in peynir üzerinde büyümesini inceledikten sonra varsayılmıştır. Cohn'un sporların büyümenin üreme mekanizması olduğu düşüncesi, kendiliğinden oluşuma dair önceki önerilere büyük bir darbe vurmuştur. Astrofizikçi Steinn Sigurdsson "Dünya'da 40 milyon yıllık canlı bakteri sporları bulundu ve bunların radyasyona karşı çok dayanıklı olduğunu biliyoruz" dedi. Vejetatif hücre duvarlarını yok ederek çalışan yaygın antibakteriyel ajanlar endosporları etkilemez. Endosporlar genellikle toprak ve suda bulunur ve burada uzun süre hayatta kalabilirler. Çeşitli mikroorganizmalar "sporlar" veya "kistler" oluşturur, ancak düşük G+C gram-pozitif bakterilerin endosporları zorlu koşullara en dirençli olanlardır. ⓘ
Bazı bakteri sınıfları endospor yerine mikrobiyal kistler olarak da bilinen ekzosporlara dönüşebilir. Ekzosporlar ve endosporlar, bazı mikroorganizma sınıflarında görülen iki tür "kış uykusu" veya uyku evresidir.
Endospor, bir bakterinin uygun olmayan koşullar altında sitoplazma yüzeyini minimuma indirerek metabolizmasını en düşük halde çalıştırmasıyla ortamın dış etkilerinden korunması amaçlı olarak aldığı haldir. ⓘ
-Bakteri su kaybeder. ⓘ
- DNA dayanıklı bir örtü ile kaplanır. ⓘ
-DNA’nın niteliği ve niceliği değişmez.<ref></r<http://www.biyolojiportali.com/konu-anlatimi/3/23/Canli-lemleri-ve-Ozellikleri-Bakteriler-ve-Arkelerref 24 Haziran 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. name="undefined" />ef> ⓘ
ⓘ |
Wikimedia Commons'ta Endospor ile ilgili ortam dosyaları bulunmaktadır. |
Bakterilerin yaşam döngüsü
Bakteriyel yaşam döngüsü mutlaka sporulasyonu içermez. Sporülasyon genellikle bakterinin hayatta kalmasına yardımcı olmak için olumsuz çevresel koşullar tarafından tetiklenir. Endosporlar hiçbir yaşam belirtisi göstermez ve bu nedenle kriptobiyotik olarak tanımlanabilir. Endosporlar süresiz olarak canlılıklarını korurlar ve uygun koşullar altında vejetatif hücrelere dönüşebilirler. Endosporlar, çevresel uyaranlar çimlenmeyi tetikleyene kadar binlerce yıl hayatta kalmıştır. Doğada üretilen en dayanıklı hücreler olarak nitelendirilmişlerdir. ⓘ
Yapı
Bakteriler dahili olarak tek bir endospor üretir. Spor bazen ekzosporyum olarak bilinen ve spor tabakasını örten ince bir örtü ile çevrilidir. Lizozim gibi büyük toksik molekülleri dışlayan bir elek gibi davranan spor tabakası, birçok toksik moleküle karşı dirençlidir ve ayrıca çimlenmede rol oynayan enzimler içerebilir. Bacillus subtilus endosporlarında spor kabuğunun, bir iç ve bir dış kabuk tabakası halinde organize olan 70'ten fazla kabuk proteini içerdiği tahmin edilmektedir. Saflaştırılmış B. subtilis endosporlarının X-ışını kırınım modeli, Kadota ve Iijima'nın keratin benzeri bir proteinden oluşabileceğini tahmin ettiği düzenli periyodik yapıya sahip bir bileşenin varlığına işaret etmektedir. Ancak, daha ileri çalışmaların ardından bu grup spor kaplama proteininin yapısının keratinden farklı olduğu sonucuna varmıştır. B. subtilis genomu dizilendiğinde, insan keratininin ortologu tespit edilmemiştir. Korteks, spor tabakasının altında yer alır ve peptidoglikandan oluşur. Çekirdek duvarı korteksin altında yer alır ve endosporun protoplastını veya çekirdeğini çevreler. Çekirdek, spor DNA'sını UV radyasyonundan ve ısıdan koruyan SASP'ler (küçük asitte çözünen spor proteinleri) olarak bilinen kromatin benzeri proteinlerle kaplı spor kromozomal DNA'sını içerir. Çekirdek ayrıca ribozomlar ve diğer enzimler gibi normal hücre yapılarını da içerir, ancak metabolik olarak aktif değildir. ⓘ
Endosporun kuru ağırlığının %20'sine kadarı, çekirdek içinde DNA'yı stabilize ettiği düşünülen kalsiyum dipikolinattan oluşur. Dipikolinik asit sporun ısı direncinden sorumlu olabilir ve kalsiyum ısıya ve oksitleyici maddelere karşı dirence yardımcı olabilir. Bununla birlikte, ısıya dirençli ancak dipikolinik asitten yoksun mutantlar izole edilmiştir, bu da ısı direncine katkıda bulunan diğer mekanizmaların da iş başında olduğunu düşündürmektedir. Endosporlarda asitte çözünen küçük proteinler (SASP'ler) bulunur. Bu proteinler DNA'yı sıkıca bağlar ve yoğunlaştırır ve kısmen UV ışığına ve DNA'ya zarar veren kimyasallara karşı dirençten sorumludur. ⓘ
Endosporların ışık mikroskobu altında görüntülenmesi, endospor duvarının boya ve lekelere karşı geçirimsizliği nedeniyle zor olabilir. Bir bakteri hücresinin geri kalanı boyanabilirken, endospor renksiz kalır. Bununla mücadele etmek için Moeller boyası adı verilen özel bir boyama tekniği kullanılır. Bu, hücrenin geri kalanı mavi boyanırken endosporun kırmızı olarak görünmesini sağlar. Endosporlar için bir başka boyama tekniği de endosporları yeşil ve bakteri gövdelerini kırmızıya boyayan Schaeffer-Fulton boyasıdır. Spor katmanlarının düzeni aşağıdaki gibidir:
- Exosporium
- Spor kaplama
- Spor korteksi
- Çekirdek duvar ⓘ
Konum
Endosporun konumu bakteri türleri arasında farklılık gösterir ve tanımlamada yararlıdır. Hücre içindeki ana tipler terminal, subterminal ve merkezi olarak yerleştirilmiş endosporlardır. Terminal endosporlar hücrelerin kutuplarında görülürken, merkezi endosporlar aşağı yukarı ortadadır. Subterminal endosporlar bu iki uç arasında yer alan, genellikle kutuplara doğru yeterince uzakta görülen ancak ne terminal ne de merkezi olarak kabul edilmeyecek kadar merkeze yakın olan endosporlardır. Yanal endosporlar zaman zaman görülür. ⓘ
Terminal endosporlara sahip bakteri örnekleri arasında tetanos hastalığına neden olan patojen Clostridium tetani bulunur. Merkezi yerleşimli endospora sahip bakteriler arasında Bacillus cereus bulunur. Bazen endospor o kadar büyük olabilir ki hücre endosporun etrafında şişebilir. Bu durum Clostridium tetani için tipiktir. ⓘ
Oluşum ve yıkım
Açlık koşulları altında, özellikle de karbon ve azot kaynaklarının yokluğunda, sporülasyon adı verilen bir süreçle bazı bakterilerin içinde tek bir endospor oluşur. ⓘ
Bir bakteri çevresel koşulların elverişsiz hale geldiğini tespit ettiğinde, yaklaşık sekiz saat süren endosporülasyon sürecini başlatabilir. DNA çoğaltılır ve spor septumu olarak bilinen bir zar duvarı, hücrenin geri kalanı ile arasında oluşmaya başlar. Hücrenin plazma zarı bu duvarı çevreler ve DNA'nın etrafında bir çift zar bırakmak için kıstırır ve gelişen yapı artık bir ön spor olarak bilinir. Dipikolinik asidin kalsiyum tuzu olan kalsiyum dipikolinat, bu süre zarfında forespore içine dahil edilir. Dipikolinik asit, endospor içindeki proteinlerin ve DNA'nın stabilize edilmesine yardımcı olur. Daha sonra iki katman arasında peptidoglikan korteks oluşur ve bakteri ön sporun dışına bir spor örtüsü ekler. Endospor oluşumunun son aşamalarında yeni oluşan endospor dehidre edilir ve ana hücreden salınmadan önce olgunlaşmasına izin verilir. Korteks, endosporu sıcaklığa karşı bu kadar dirençli kılan şeydir. Korteks, çekirdek olarak bilinen bir iç zar içerir. Bu çekirdeği çevreleyen iç zar, endosporun UV ışığına ve normalde mikropları yok edecek sert kimyasallara karşı dirençli olmasını sağlar. Sporlanma artık tamamlanmıştır ve olgun endospor, çevresindeki vejetatif hücre parçalandığında serbest kalacaktır. ⓘ
Endosporlar, normalde oluştukları vejetatif hücreleri öldürecek çoğu etkene karşı dirençlidir. Persister hücrelerin aksine, endosporlar ortamdaki besin kısıtlaması (açlık) tarafından tetiklenen morfolojik bir farklılaşma sürecinin sonucudur; endosporülasyon "açlık çeken" popülasyon içindeki quorum sensing tarafından başlatılır. Ev temizlik ürünleri, alkoller, kuaterner amonyum bileşikleri ve deterjanlar gibi çoğu dezenfektanın endosporlar üzerinde çok az etkisi vardır. Bununla birlikte, etilen oksit (ETO) ve %10 çamaşır suyu gibi sterilan alkilleyici ajanlar endosporlara karşı etkilidir. Çoğu şarbon sporunu öldürmek için, standart ev tipi çamaşır suyu (%10 sodyum hipokloritli) sporlarla en az birkaç dakika temas halinde olmalıdır; sporların çok küçük bir kısmı böyle bir çözeltide 10 dakikadan daha uzun süre hayatta kalabilir. Daha yüksek konsantrasyonlardaki çamaşır suyu daha etkili değildir ve bazı bakteri türlerinin toplanmasına ve böylece hayatta kalmasına neden olabilir. ⓘ
Isı ve radyasyona karşı önemli ölçüde dirençli olmakla birlikte, endosporlar yakılarak veya suyun kaynama noktası olan 100 °C'yi aşan bir sıcaklıkta otoklavlanarak yok edilebilir. Endosporlar 100 °C'de saatlerce hayatta kalabilir, ancak saat sayısı arttıkça hayatta kalabilenlerin sayısı azalır. Onları yok etmenin dolaylı bir yolu da vejetatif durumlarına geri dönmelerini sağlayacak bir ortama yerleştirmektir. Doğru çevresel koşullarda bir ya da iki gün içinde çimlenirler ve daha sonra endosporlar kadar dayanıklı olmayan vejetatif hücreler doğrudan yok edilebilir. Bu dolaylı yönteme tyndallizasyon denir. Ucuz otoklavların kullanılmaya başlanmasından önce, 19. yüzyılın sonlarında bir süre için olağan yöntem buydu. X ışınları ve gama ışınları gibi iyonlaştırıcı radyasyona uzun süre maruz kalmak da çoğu endosporu öldürecektir. ⓘ
Geobacillus stearothermophilus gibi bazı (tipik olarak patojenik olmayan) bakteri türlerinin endosporları, otoklavlanmış bir ürünün gerçekten steril hale getirildiğini doğrulamak için prob olarak kullanılır: sporları içeren küçük bir kapsül, ürünlerle birlikte otoklava konur; döngüden sonra kapsülün içeriği, herhangi bir şeyin büyüyüp büyümediğini kontrol etmek için kültürlenir. Eğer hiçbir şey çıkmazsa, sporlar yok edilmiş ve sterilizasyon başarılı olmuş demektir. ⓘ
Hastanelerde, endoskoplar gibi hassas invaziv aletlerdeki endosporlar düşük sıcaklıklı ve aşındırıcı olmayan etilen oksit sterilizatörleri ile öldürülür. Etilen oksit, bu aletlerdeki salgınları durduran tek düşük sıcaklıklı sterilizatördür. Buna karşılık, "yüksek seviye dezenfeksiyon" endosporları öldürmez ancak kolonoskop gibi steril vücut boşluklarına girmeyen aletler için kullanılır. Bu ikinci yöntemde sadece ılık su, enzimler ve deterjanlar kullanılır. ⓘ
Bakteriyel endosporlar antibiyotiklere, çoğu dezenfektana ve radyasyon, kaynatma ve kurutma gibi fiziksel ajanlara karşı dirençlidir. Spor tabakasının geçirimsizliğinin, endosporun kimyasallara karşı direncinden sorumlu olduğu düşünülmektedir. Endosporların ısı direnci çeşitli faktörlerden kaynaklanmaktadır:
- Endospor içinde bol miktarda bulunan kalsiyum dipikolinat, endosporun DNA'sını stabilize edebilir ve koruyabilir.
- Asitte çözünen küçük proteinler (SASP'ler) endosporun DNA'sını doyurur ve onu ısıdan, kurumadan, kimyasallardan ve radyasyondan korur. Ayrıca çimlenme sırasında vejetatif bir bakterinin gelişimi için karbon ve enerji kaynağı olarak işlev görürler.
- Korteks, endosporun iç kısmındaki suyu ozmotik olarak uzaklaştırabilir ve bunun sonucunda oluşan dehidrasyonun endosporun ısı ve radyasyona karşı direncinde çok önemli olduğu düşünülmektedir.
- Son olarak, endospor içinde bulunan DNA onarım enzimleri çimlenme sırasında hasar görmüş DNA'yı onarabilir. ⓘ
Reaktivasyon
Endosporun yeniden aktif hale gelmesi koşullar daha uygun olduğunda gerçekleşir ve aktivasyon, çimlenme ve büyümeyi içerir. Bir endospor bol miktarda besin maddesi içinde bulunsa bile, aktivasyon gerçekleşmediği sürece çimlenemeyebilir. Bu durum endosporun ısıtılmasıyla tetiklenebilir. Çimlenme, uykuda olan endosporun metabolik aktiviteye başlamasını ve böylece kış uykusundan çıkmasını içerir. Genellikle spor kabuğunun yırtılması veya emilmesi, endosporun şişmesi, metabolik aktivitede artış ve çevresel strese karşı direnç kaybı ile karakterize edilir. ⓘ
Dış büyüme çimlenmeyi takip eder ve endosporun çekirdeğinin yeni kimyasal bileşenler üretmesini ve daha fazla hücre üretmek için bölünebilen tamamen işlevsel bir vejetatif bakteri hücresine dönüşmek üzere eski spor kabuğundan çıkmasını içerir. ⓘ
Endosporlar vejetatif hücrelerden beş kat daha fazla sülfüre sahiptir. Bu fazla sülfür, bir amino asit olan sistein olarak spor katlarında yoğunlaşır. Uyku halini sürdürmekten sorumlu makromolekülün, S-S bağları ile stabilize edilmiş, sistin bakımından zengin bir protein kaplamasına sahip olduğuna inanılmaktadır. Bu bağlardaki bir azalma, üçüncül yapıyı değiştirerek proteinin açılmasına neden olma potansiyeline sahiptir. Proteindeki bu konformasyonel değişikliğin, endospor çimlenmesi için gerekli aktif enzimatik bölgelerin açığa çıkmasından sorumlu olduğu düşünülmektedir. ⓘ
Endosporlar çok uzun süre hareketsiz kalabilir. Örneğin, Mısır firavunlarının mezarlarında endosporlar bulunmuştur. Uygun besiyerine yerleştirildiklerinde, uygun koşullar altında yeniden aktif hale gelebilmişlerdir. 1995 yılında California Polytechnic State Üniversitesi'nden Raul Cano, Dominik Cumhuriyeti'ndeki bir ağaçtan çıkarılan kehribarın içine hapsedilmiş fosilleşmiş bir arının bağırsağında bakteri sporları buldu. Kehribar içinde fosilleşmiş arının yaşı yaklaşık 25 milyon yıl olarak tarihlendirilmiştir. Kehribar açıldığında sporlar filizlendi ve arının bağırsağındaki materyal çıkarılarak besin ortamına yerleştirildi. Sporlar mikroskopla analiz edildikten sonra, hücrelerin bugün Dominik Cumhuriyeti'ndeki arılarda bulunan Bacillus sphaericus'a çok benzediği belirlendi. ⓘ
Önemi
Hücresel farklılaşma için basitleştirilmiş bir model olarak, endospor oluşumunun moleküler detayları, özellikle Bacillus subtilis model organizmasında kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu çalışmalar gen ifadesinin düzenlenmesi, transkripsiyon faktörleri ve RNA polimerazın sigma faktör alt birimlerini anlamamıza büyük katkı sağlamıştır. ⓘ
Bacillus anthracis bakterisinin endosporları 2001 şarbon saldırılarında kullanılmıştır. Kirlenmiş posta mektuplarında bulunan toz, şarbon endosporlarından oluşuyordu. Bu kasıtlı dağıtım, bilinen 22 şarbon vakasına (11 inhalasyon ve 11 kutanöz) yol açmıştır. İnhalasyon şarbonu olan hastalar arasında ölüm oranı %45'tir (5/11). İnhalasyon şarbonu geçiren diğer altı kişi ve kutanöz şarbon geçiren tüm kişiler iyileşmiştir. Antibiyotik tedavisi olmasaydı, çok daha fazla kişi hastalanabilirdi. ⓘ
DSÖ veterinerlik belgelerine göre, B. anthracis memeli kanında bulunan karbondioksit yerine oksijen gördüğünde sporlanır; bu bakteriye hayvanın sonuna ulaştığını ve inaktif dağılabilir bir morfolojinin faydalı olduğunu gösterir. ⓘ
Sporülasyon serbest oksijenin varlığını gerektirir. Doğal durumda bu, vejetatif döngülerin enfekte konakçının düşük oksijenli ortamında gerçekleştiği ve konakçı içinde organizmanın yalnızca vejetatif formda olduğu anlamına gelir. Konağın dışına çıkıldığında, havaya maruz kalındığında sporlanma başlar ve spor formları esasen çevredeki münhasır fazdır. ⓘ
Biyoteknoloji
Bacillus subtilis sporları, rekombinant proteinlerin ekspresyonu ve özellikle mikrobiyoloji, biyoteknoloji ve aşılama alanlarında temel ve uygulamalı araştırmalar için bir araç olarak peptitlerin ve proteinlerin yüzey gösterimi için kullanışlıdır. ⓘ
Endospor oluşturan bakteriler
Endospor oluşturan bakterilere örnek olarak şu cinsler verilebilir:
- Acetonema
- Actinomyces
- Alkalibacillus
- Ammoniphilus
- Amphibacillus
- Anaerobacter
- Anaerospora
- Aneurinibacillus
- Anoxybacillus
- Bacillus
- Brevibacillus
- Caldanaerobacter
- Kaloramatör
- Caminicella
- Cerasibacillus
- Clostridium
- Clostridiisalibacter
- Cohnella
- Coxiella (yani Coxiella burnetii)
- Dendrosporobacter
- Desulfotomaculum
- Desulfosporomusa
- Desulfosporosinus
- Desulfovirgula
- Desulfunispora
- Desulfurispora
- Filifaktör
- Filobacillus
- Gelria
- Geobacillus
- Geosporobacter
- Gracilibacillus
- Halobacillus
- Halonatronum
- Heliobacterium
- Heliophilum
- Laceyella
- Lentibacillus
- Lysinibacillus
- Mahella
- Metabacterium
- Moorella
- Natroniella
- Oceanobacillus
- Orenia
- Ornithinibacillus
- Oxalophagus
- Oxobacter
- Paenibacillus
- Paraliobacillus
- Pelospora
- Pelotomakulum
- Piscibacillus
- Planifilum
- Pontibacillus
- Propionispora
- Salinibacillus
- Salsuginibacillus
- Seinonella
- Shimazuella
- Sporacetigenium
- Sporoanaerobacter
- Sporobacter
- Sporobacterium
- Sporohalobacter
- Sporolactobacillus
- Sporomusa
- Sporosarcina
- Sporotalea
- Sporotomakulum
- Syntrophomonas
- Syntrophospora
- Tenuibacillus
- Tepidibacter
- Terribacillus
- Thalassobacillus
- Thermoacetogenium
- Thermoactinomyces
- Thermoalkalibacillus
- Thermoanaerobacter
- Thermoanaeromonas
- Thermobacillus
- Termoflavimikrobiyum
- Termovenabulum
- Tuberibacillus
- Virgibacillus
- Vulcanobacillus ⓘ